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太阳能电池

太阳能电池又称为“太阳能芯片”或光电池”,是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片。它只要被满足一定照度条件的光照到,瞬间就可输出电压及在有回路的情况下产生电流。在物理学上称为太阳能光伏(Photovoltaic,缩写为PV),简称光伏

太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。以光电效应工作的晶硅太阳能电池为主流,而以光化学效应工作的薄膜电池实施太阳能电池则还处于萌芽阶段。

数据显示2012年,我国太阳能电池继续保持产量和性价比优势,国际竞争力愈益增强。

随着太阳能电池行业的不断发展,内业竞争也在不断加剧,大型太阳能电池企业间并购整合与资本运作日趋频繁,国内优秀的太阳能电池生产企业愈来愈重视对行业市场的研究,特别是对产业发展环境和产品购买者的深入研究。正因为如此,一大批国内优秀的太阳能电池品牌迅速崛起,逐渐成为太阳能电池行业中的翘楚 。

术语“光生伏特(Photovoltaics)”来源于希腊语,意思是光、伏特和电气的,来源于意大利物理学家亚历山德罗伏特的名字,在亚历山德罗伏特以后“伏特”便作为电压的单位使用。

以太阳能发展的历史来说,光照射到材料上所引起的“光起电力”行为,早在19世纪的时候就已经发现了。

1839年,光生伏特效应第一次由法国物理学家A.E.Becquerel发现。1849年术语“光-伏”才出现在英语中。

1883年第一块太阳电池由Charles Fritts制备成功。Charles用硒半导体上覆上一层极薄的金层形成半导体金属结,器件只有1%的效率。

到了20世纪30年代,照相机的曝光计广泛地使用光起电力行为原理。

1946年Russell Ohl申请了现代太阳电池的制造专利。

到了20世纪50年代,随着半导体物性的逐渐了解,以及加工技术的进步,1954年当美国的贝尔实验室在用半导体做实验发现在硅中掺入一定量的杂质后对光更加敏感这一现象后,第一个太阳能电池在1954年诞生在贝尔实验室。太阳电池技术的时代终于到来。

自20世纪58年代起,美国发射的人造卫星就已经利用太阳能电池作为能量的来源。

20世纪70年代能源危机时,让世界各国察觉到能源开发的重要性。

1973年发生了石油危机,人们开始把太阳能电池的应用转移到一般的民生用途上。

在美国、日本和以色列等国家,已经大量使用太阳能装置,更朝商业化的目标前进。

在这些国家中,美国于1983年在加州建立世界上最大的太阳能电厂,它的发电量可以高达16百万瓦特。南非、博茨瓦纳、纳米比亚和非洲南部的其他国家也设立专案,鼓励偏远的乡村地区安装低成本的太阳能电池发电系统。

而推行太阳能发电最积极的国家首推日本。1994年日本实施补助奖励办法,推广每户3,000瓦特的“市电并联型太阳光电能系统”。在第一年,政府补助49%的经费,以后的补助再逐年递减。“市电并联型太阳光电能系统”是在日照充足的时候,由太阳能电池提供电能给自家的负载用,若有多余的电力则另行储存。当发电量不足或者不发电的时候,所需要的电力再由电力公司提供。到了1996年,日本有2,600户装置太阳能发电系统,装设总容量已经有8百万瓦特。一年后,已经有9,400户装置,装设的总容量也达到了32百万瓦特。随着环保意识的高涨和政府补助金的制度,预估日本住家用太阳能电池的需求量,也会急速增加。

在中国,太阳能发电产业亦得到政府的大力鼓励和资助。2009年3月,财政部宣布拟对太阳能光电建筑等大型太阳能工程进行补贴 。

太阳光照在半导体p-n结上,形成新的空穴-电子对,在p-n结内建电场的作用下,光生空穴流向p区,光生电子流向n区,接通电路后就产生电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。

太阳能发电有两种方式,一种是光热电转换方式,另一种是光电直接转换方式。

光热电转换

光热电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电,一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成工质的蒸气,再驱动汽轮机发电。前一个过程是光热转换过程;后一个过程是热电转换过程,与普通的火力发电一样。太阳能热发电的缺点是效率很低而成本很高,估计它的投资至少要比普通火电站贵5~10倍。一座1000MW的太阳能热电站需要投资20~25亿美元,平均1kW的投资为2000~2500美元。因此,只能小规模地应用于特殊的场合,而大规模利用在经济上很不合算,还不能与普通的火电站或核电站相竞争。

光电直接转换

太阳能电池发电是根据特定材料的光电性质制成的。黑体(如太阳)辐射出不同波长(对应于不同频率)的电磁波, 如红外线、紫外线、可见光等等。当这些射线照射在不同导体或半导体上,光子与导体或半导体中的自由电子作用产生电流。射线的波长越短,频率越高,所具有的能量就越高,例如紫外线所具有的能量要远远高于红外线。但是并非所有波长的射线的能量都能转化为电能,值得注意的是光电效应于射线的强度大小无关,只有频率达到或超越可产生光电效应的阈值时,电流才能产生。能够使半导体产生光电效应的光的最大波长同该半导体的禁带宽度相关,譬如晶体硅的禁带宽度在室温下约为1.155eV,因此必须波长小于1100nm的光线才可以使晶体硅产生光电效应。 太阳电池发电是一种可再生的环保发电方式,发电过程中不会产生二氧化碳等温室气体,不会对环境造成污染。按照制作材料分为硅基半导体电池、CdTe薄膜电池、CIGS薄膜电池、染料敏化薄膜电池、有机材料电池等。其中硅电池又分为单晶电池、多晶电池和无定形硅薄膜电池等。对于太阳电池来说最重要的参数是转换效率,在实验室所研发的硅基太阳能电池中,单晶硅电池效率为25.0%,多晶硅电池效率为20.4%,CIGS薄膜电池效率达19.6%,CdTe薄膜电池效率达16.7%,非晶硅(无定形硅)薄膜电池的效率为10.1%

太阳电池是一种可以将能量转换的光电元件,其基本构造是运用P型与N型半导体接合而成的。半导体最基本的材料是“硅”,它是不导电的,但如果在半导体中掺入不同的杂质,就可以做成P型与N型半导体,再利用P型半导体有个空穴(P型半导体少了一个带负电荷的电子,可视为多了一个正电荷),与N型半导体多了一个自由电子的电位差来产生电流,所以当太阳光照射时,光能将硅原子中的电子激发出来,而产生电子和空穴的对流,这些电子和空穴均会受到内建电位的影响,分别被N型及P型半导体吸引,而聚集在两端。此时外部如果用电极连接起来,形成一个回路,这就是太阳电池发电的原理。

简单的说,太阳光电的发电原理,是利用太阳电池吸收0.4μm~1.1μm波长(针对硅晶)的太阳光,将光能直接转变成电能输出的一种发电方式。

由于太阳电池产生的电是直流电,因此若需提供电力给家电用品或各式电器则需加装直/交流转换器,换成交流电,才能供电至家庭用电或工业用电。

太阳能电池的充电发展太阳能电池应用在消费性商品上,大多有充电的问题,过去一般的充电对象采用镍氢或镍镉干电池,但是镍氢干电池无法抗高温,镍镉干电池有环保污染的问题。超级电容发展快速,容量超大,面积反缩小,加上价格低廉,因此有部份太阳能产品开始改采超级电容为充电对象,因而改善了太阳能充电的许多问题:

充电较快速,

寿命长5倍以上,

充电温度范围较广,

减少太阳能电池用量(可低压充电) 。

太阳能电池组件构成及各部分功能

1)钢化玻璃其作用为保护发电主体(如电池片),透光其选用是有要求的: 1.透光率必须高(一般91%以上);2.超白钢化处理。

2) EVA 用来粘结固定钢化玻璃和发电主体(如电池片),透明EVA材质的优劣直接影响到组件的寿命,暴露在空气中的EVA易老化发黄,从而影响组件的透光率,从而影响组件的发电质量除了EVA本身的质量外,组件厂家的层压工艺影响也是非常大的,如EVA胶连度不达标,EVA与钢化玻璃、背板粘接强度不够,都会引起EVA提早老化,影响组件寿命。主要粘结封装发电主体和背板。

3)电池片主要作用就是发电,发电主体市场上主流的是晶体硅太阳电池片、薄膜太阳能电池片,两者各有优劣。晶体硅太阳能电池片,设备成本相对较低,光电转换效率也高,在室外阳光下发电比较适宜,但消耗及电池片成本很高;薄膜太阳能电池,消耗和电池成本很低,弱光效应非常好,在普通灯光下也能发电,但相对设备成本较高,光电转化效率相对晶体硅电池片一半多点,如计算器上的太阳能电池。

4)背板作用,密封、绝缘、防水(一般都用TPT、TPE等材质必须耐老化,大部分组件厂家都是质保25年,钢化玻璃,铝合金一般都没问题,关键就在与背板和硅胶是否能达到要求。)

5)铝合金保护层压件,起一定的密封、支撑作用。

6)接线盒保护整个发电系统,起到电流中转站的作用,如果组件短路接线盒自动断开短路电池串,防止烧坏整个系统接,线盒中最关键的是二极管的选用,根据组件内电池片的类型不同,对应的二极管也不相同。

7)硅胶密封作用,用来密封组件与铝合金边框、组件与接线盒交界处。有些公司使用双面胶条、泡棉来替代硅胶,国内普遍使用硅胶,工艺简单,方便,易操作,而且成本很低。

太阳能电池的基本特性有太阳能电池的极性、太阳电池的性能参数、太阳能电环保电池的伏安特性三个基本特性。具体解释如下

1、太阳能电池的极性

硅太阳能电池的一般制成P+/N型结构或N+/P型结构,P+和N+,表示太阳能电池正面光照层半导体材料的导电类型;N和P,表示太阳能电池背面衬底半导体材料的导电类型。太阳能电池的电性能与制造电池所用半导体材料的特性有关。

2、太阳电池的性能参数

太阳电池的性能参数由开路电压、短路电流、最大输出功率、填充因子、转换效率等组成。这些参数是衡量太阳能电池性能好坏的标志。

3 太阳能电池的伏安特性

P-N结太阳能电池包含一个形成于表面的浅P-N结、一个条状及指状的正面欧姆接触、一个涵盖整个背部表面的背面欧姆接触以及一层在正面的抗反射层。当电池暴露于太阳光谱时,能量小于禁带宽度Eg的光子对电池输出并无贡献。能量大于禁带宽度Eg的光子才会对电池输出贡献能量Eg,小于Eg的能量则会以热的形式消耗掉。因此,在太阳能电池的设计和制造过程中,必须考虑这部分热量对电池稳定性、寿命等的影响。

1、开路电压

开路电压UOC:即将太阳能电池置于AM1.5光谱条件、100 mW/cm2的光源强度照射下,在两端开路时,太阳能电池的输出电压值。

2、短路电流

短路电流ISC:就是将太阳能电池置于AM1.5光谱条件、100 mW/cm2的光源强度照射下,在输出端短路时,流过太阳能电池两端的电流值。

3、最大输出功率

太阳能电池的工作电压和电流是随负载电阻而变化的,将不同阻值所对应的工作电压和电流值做成曲线就得到太阳能电池的伏安特性曲线。如果选择的负载电阻值能使输出电压和电流的乘积最大,即可获得最大输出功率,用符号Pm表示。此时的工作电压和工作电流称为最佳工作电压和最佳工作电流,分别用符号Um和Im表示。

4、填充因子

太阳能电池的另一个重要参数是填充因子FF(fill factor),它是最大输出功率与开路电压和短路电流乘积之比。

FF: 是衡量太阳能电池输出特性的重要指标, 是代表太阳能电池在带最佳负载时, 能输出的最大功率的特性,其值越大表示太阳能电池的输出功率越大。FF 的值始终小于1。串、并联电阻对填充因子有较大影响。串联电阻越大,短路电流下降越多,填充因子也随之减少的越多;并联电阻越小,其分电流就越大,导致开路电压就下降的越多,填充因子随之也下降的越多。

5、转换效率

太阳能电池的转换效率指在外部回路上连接最佳负载电阻时的最大能量转换效率,等于太阳能电池的输出功率与入射到太阳能电池表面的能量之比。太阳能电池的光电转换效率是衡量电池质量和技术水平的重要参数,它与电池的结构、结特性、材料性质、工作温度、放射性粒子辐射损伤和环境变化等有关 。

太阳能交流发电系统是由太阳电池板、充电控制器、逆变器和蓄电池共同组成;太阳能直流发电系统则不包括逆变器。为了使太阳能发电系统能为负载提供足够的电源,就要根据用电器的功率,合理选择各部件。下面以100W输出功率,每天使用6个小时为例,介绍一下计算方法:
  1.首先应计算出每天消耗的瓦时数(包括逆变器的损耗):

若逆变器的转换效率为90%,则当输出功率为100W时,则实际需要输出功率应为100W/90%≈111W;若按每天使用5小时,则耗电量为111W×5h=555Wh。

计算太阳能电池板:

按每日有效日照时间为6小时计算,再考虑到充电效率和充电过程中的损耗,太阳能电池板的输出功率应为555Wh/6h/70%=130W。其中70%是充电过程中,太阳能电池板的实际使用功率。

太阳能电池主要是以半导体材料为基础,其工作原理是利用光电材料吸收光能后发生光电于转换反应,根据所用材料的不同,太阳能电池可分为:1、硅太阳能电池;2、以无机盐如砷化镓III-V化合物、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池;3、功能高分子材料制备的太阳能电池;4、纳米晶太阳能电池等。

据Dataquest的统计资料显示,全世界共有136 个国家投入普及应用太阳能电池的热潮中,其中有95 个国家正在大规模地进行太阳能电池的研制开发,积极生产各种相关的节能新产品。1998年,全世界生产的太阳能电池,其总的发电量达1000兆瓦,1999年达 2850兆瓦。根据欧洲光伏工业协会EPIA2008年的预测,如果按照2007年全球装机容量为2.4GW来计算,2010年全球的年装机容量将达到6.9GW,2020年和2030年将分别达到56GW和281GW,2010年全球累计装机容量为25.4GW,预计2020年达到278GW,2030年达到1864GW。全球太阳能电池产量以年均复合增长率47%的速度迅猛增长,2008年产量达到6.9GW。

许多国家正在制订中长期太阳能开发计划,准备在21世纪大规模开发太阳能,美国能源部推出的是国家光伏计划,日本推出的是阳光计划。NREL光伏计划是美国国家光伏计划的一项重要的内容,该计划在单晶硅和高级器件、薄膜光伏技术、PVMaT、光伏组件以及系统性能和工程、 光伏应用和市场开发等5个领域开展研究工作。

美国还推出了"太阳能路灯计划",旨在让美国一部分城市的路灯都改为由太阳能供电,根据计划,每盏路灯每年可节电800 度。日本也正在实施太阳能"7万套工程计划", 日本准备普及的太阳能住宅发电系统,主要是装设在住宅屋顶上的太阳能电池发电设备,家庭用剩余的电量还可以卖给电力公司。一个标准家庭可安装一部发电3000瓦的系统。欧洲则将研究开发太阳能电池列入著名的"尤里卡"高科技计划,推出了10万套工程计划"。这些以普及应用光电池为主要内容的"太阳能工程"计划是推动太阳能光电池产业大发展的重要动力之一。

日本、韩国以及欧洲地区总共8个国家决定携手合作,在亚洲内陆及非洲沙漠地区建设世界上规模最大的太阳能发电站,他们的目标是将占全球陆地面积约1/4的沙漠地区的长时间日照资源有效地利用起来,为30万用户提供100万千瓦的电能。计划将从2001年开始,花4年时间完成。

美国和日本在世界光伏市场上占有最大的市场份额。美国拥有世界上最大的光伏发电厂,其功率为7MW,日本也建成了发电功率达1MW的光伏发电厂。全世界总共有23万座光伏发电设备,以色列、澳大利亚、新西兰居于领先地位。

20世纪90年代以来,全球太阳能电池行业以每年15%的增幅持续不断地发展。据Dataquest发布的最新统计和预测报告显示,美国、日本和西欧工业发达国家在研究开发太阳能方面的总投资,1998年达570亿美元;1999年646亿美元;2000年700亿美元;2001年将达820亿美元;2002年有望突破1000亿美元。

中国对太阳能电池的研究开发工作高度重视,早在七五期间,非晶硅半导体的研究工作已经列入国家重大课题;八五和九五期间,中国把研究开发的重点放在大面积太阳能电池等方面。2003年10月,国家发改委、科技部制定出未来5年太阳能资源开发计划,发改委"光明工程"将筹资100亿元用于推进太阳能发电技术的应用,计划到2015年全国太阳能发电系统总装机容量达到300兆瓦。中国已成为全球光伏产品最大制造国,中国即将出台的《新能源振兴规划》,中国光伏发电的装机容量规划为2020年达到20GW,是原来《可再生能源中长期规划》中1.8GW的10多倍。

2002年,国家有关部委启动了"西部省区无电乡通电计划",通过太阳能和小型风力发电解决西部七省区无电乡的用电问题。这一项目的启动大大刺激了太阳能发电产业,国内建起了几条太阳能电池的封装线,使太阳能电池的年生产量迅速增加。据专家预测,中国光伏市场需求量为每年5MW,2001~2010年,年需求量将达10MW,从2011年开始,中国光伏市场年需求量将大于20MW。

2009年,国务院根据工信提供的报告指出多晶硅产能过剩,实际业界人并不认可,科技部已经表态,多晶硅产能并不过剩。

太阳能电池的应用已从军事领域、航天领域进入工业、商业、农业、 通信、家用电器以及公用设施等部门,尤其可以分散地在边远地区、高山、沙漠、海岛和农村使用,以节省造价很贵的输电线路。但是在现阶段,它的成本还很高,发出1kW电需要投资上万美元,因此大规模使用仍然受到经济上的限制。

市场上销售的光伏电池主要是单晶硅为原料生产的。由于单晶硅电池生产能耗大,一些专家认为现有单晶硅电池生产能耗大于其生命周期内捕获的太阳能,是没有价值的。最乐观的估计是需要10年左右时间,使用单晶硅电池所获得的太阳能才能大于其生产所消耗的能量。而单晶硅是石英砂经还原,融化后拉单晶得到的。生产过程能耗大,产生的有毒有害物质多,环境污染严重。国外纷纷将其转移到中国生产。我国各地大上单晶硅及单晶硅电池生产线。

然而,我们不掌握光伏电池生产技术。单晶硅光伏电池生产技术虽然很成熟,然而还在不断发展,其他各种光伏电池技术也在不断涌现。光伏电池的成本和光电转换效率离真正市场化还有很大差距,光伏电池市场主要靠各国政府财政补贴。欧洲市场光伏发电补贴高达每度电1元以上。今后,要使光伏电池大规模应用,必须不断改进光伏电池效率和生产成本,在这个过程中,生产技术和产品会不断更新换代。其更新换代周期短,仅3-5年。光伏电池生产企业投资大,回收周期长,由于技术更新快,国内企业,如果不掌握技术,及时更新技术,就会很快被淘汰,很可能不能收回投资。

但是,从长远来看,随着太阳能电池制造技术的改进以及新的光电转换装置的发明,各国对环境的保护和对再生清洁能源的巨大需求,太阳能电池仍将是利用太阳辐射能比较切实可行的方法,可为人类未来大规模地利用太阳能开辟广阔的前景 。

太阳能电池按结晶状态可分为结晶系薄膜式和非结晶系薄膜式(以下表示为a-)两大类,而前者又分为单结晶形和多结晶形。

按材料可分为硅薄膜形、化合物半导体薄膜形和有机膜形,而化合物半导体薄膜形又分为非结晶形(a-Si:H,a-Si:H:F,a-SixGel-x:H等)、ⅢV族(GaAs,InP等)、ⅡⅥ族(Cds系)和磷化锌 (Zn 3 p 2 )等。

太阳能电池根据所用材料的不同,太阳能电池还可分为:硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池、有机太阳能电池、塑料太阳能电池,其中硅太阳能电池是发展最成熟的,在应用中居主导地位。

硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。

单晶硅太阳能电池转换效率最高,技术也最为成熟。在实验室里最高的转换效率为24.7%,规模生产时的效率为15%(截止2011,为18%)。在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位,但由于单晶硅成本价格高,大幅度降低其成本很困难,为了节省硅材料,发展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜作为单晶硅太阳能电池的替代产品。

多晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅比较,成本低廉,而效率高于非晶硅薄膜电池,其实验室最高转换效率为18%,工业规模生产的转换效率为10%(截止2011,为17%)。因此,多晶硅薄膜电池不久将会在太阳能电池市场上占据主导地位。

非晶硅薄膜太阳能电池成本低重量轻,转换效率较高,便于大规模生产,有极大的潜力。但受制于其材料引发的光电效率衰退效应,稳定性不高,直接影响了它的实际应用。如果能进一步解决稳定性问题及提高转换率问题,那么,非晶硅太阳能电池无疑是太阳能电池的主要发展产品之一。

多晶体薄膜电池硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高,成本较单晶硅电池低,并且也易于大规模生产,但由于镉有剧毒,会对环境造成严重的污染,因此,并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代产品。

砷化镓(GaAs)III-V化合物电池的转换效率可达28%,GaAs化合物材料具有十分理想的光学带隙以及较高的吸收效率,抗辐照能力强,对热不敏感,适合于制造高效单结电池。但是GaAs材料的价格不菲,因而在很大程度上限制了用GaAs电池的普及。

铜铟硒薄膜电池(简称CIS)适合光电转换,不存在光致衰退问题,转换效率和多晶硅一样。具有价格低廉、性能良好和工艺简单等优点,将成为今后发展太阳能电池的一个重要方向。唯一的问题是材料的来源,由于铟和硒都是比较稀有的元素,因此,这类电池的发展又必然受到限制。

以有机聚合物代替无机材料是刚刚开始的一个太阳能电池制造的研究方向。由于有机材料柔性好,制作容易,材料来源广泛,成本低等优势,从而对大规模利用太阳能,提供廉价电能具有重要意义。但以有机材料制备太阳能电池的研究仅仅刚开始,不论是使用寿命,还是电池效率都不能和无机材料特别是硅电池相比。能否发展成为具有实用意义的产品,还有待于进一步研究探索。

纳米

此类电池的研究和开发刚刚起步,不久的将来会逐步走上市场。

有机薄膜太阳能电池,就是由有机材料构成核心部分的太阳能电池。大家对有机太阳能电池不熟悉,这是情理中的事。如今量产的太阳能电池里,95%以上是硅基的,而剩下的不到5%也是由其它无机材料制成的。

染料敏化太阳能电池,是将一种色素附着在TiO2粒子上,然后浸泡在一种电解液中。色素受到光的照射,生成自由电子和空穴。自由电子被TiO2吸收,从电极流出进入外电路,再经过用电器,流入电解液,最后回到色素。染料敏化太阳能电池的制造成本很低,这使它具有很强的竞争力。它的能量转换效率为12%左右。

塑料太阳能电池以可循环使用的塑料薄膜为原料,能通过“卷对卷印刷”技术大规模生产,其成本低廉、环保。但塑料太阳能电池尚不成熟,预计在未来5年到10年,基于塑料等有机材料的太阳能电池制造技术将走向成熟并大规模投入使用。

单晶硅太阳能的光电转换效率最高的达到24%,这是所有种类的太阳能电池中光电转换效率最高的。但是单晶硅太阳能电池的制作成本很大,以致于它还不能被大量广泛和普遍地使用。多晶硅太阳能电池从制作成本上来讲,比单晶硅太阳能电池要便宜一些,但是多晶硅太阳能电池的光电转换效率则要降低不少,此外,多晶硅太阳能电池的使用寿命也要比单晶硅太阳能电池短。因此,从性能价格比来讲,单晶硅太阳能电池还略好。

研究者发现有一些化合物半导体材料适于作太阳能光电转化薄膜。例如CdS,CdTe;Ⅲ-V化合物半导体:GaAs,AIPInP等;用这些半导体制作的薄膜太阳能电池表现出很好光电转化效率。具有梯度能带间隙(导带与价带之间的能级差)多元的半导体材料,可以扩大太阳能吸收光谱范围,进而提高光电转化效率。使薄膜太阳能电池大量实际的应用呈现广阔的前景。在这些多元的半导体材料中Cu(In,Ga)Se2是一种性能优良太阳光吸收材料。以它为基础可以设计出光电转换效率比硅薄膜太阳能电池明显地高的薄膜太阳能电池,可以达到的光电转化率为18% 。

在这里只简单的介绍一下工艺的作用,给大家一个感性的认识.

组件线又叫封装线,封装是太阳能电池生产中的关键步骤,没有良好的封装工艺,多好的电池也生产不出好的组件板。电池的封装不仅可以使电池的寿命得到保证,而且还增强了电池的抗击强度。产品的高质量和高寿命是赢得可客户满意的关键,所以组件板的封装质量非常重要。

1、电池检测2、正面焊接检验3、背面串接检验4、敷设(玻璃清洗、材料切割、玻璃预处理、敷设)5、层压6、去毛边(去边、清洗)7、装边框(涂胶、装角键、冲孔、装框、擦洗余胶)8、焊接接线盒9、高压测试10、组件测试外观检验11、包装入库

1、高转换效率、高质量的电池片;

2、高质量的原材料,例如:高的交联度的EVA、高粘结强度的封装剂(中性硅酮树脂胶)、高透光率高强度的钢化玻璃等;

3、合理的封装工艺

4、员工严谨的工作作风;

由于太阳电池属于高科技产品,生产过程中一些细节问题,一些不起眼问题如应该戴手套而不戴、应该均匀的涂刷试剂而潦草完事等都是影响产品质量的大敌,所以除了制定合理的制作工艺外,员工的认真和严谨是非常重要的。

由于电池片制作条件的随机性,生产出来的电池性能不尽相同,所以为了有效的将性能一致或相近的电池组合在一起,所以应根据其性能参数进行分类;电池测试即通过测试电池的输出参数(电流和电压)的大小对其进行分类。以提高电池的利用率,做出质量合格的电池组件。

是将汇流带焊接到电池正面(负极)的主栅线上,汇流带为镀锡的铜带,我们使用的焊接机可以将焊带以多点的形式点焊在主栅线上。焊接用的热源为一个红外灯(利用红外线的热效应)。焊带的长度约为电池边长的2倍。多出的焊带在背面焊接时与后面的电池片的背面电极相连

背面焊接是将36片电池串接在一起形成一个组件串,采用的工艺是手动的,电池的定位主要靠一个膜具板,上面有36个放置电池片的凹槽,槽的大小和电池的大小相对应,槽的位置已经设计好,不同规格的组件使用不同的模板,操作者使用电烙铁和焊锡丝将“前面电池”的正面电极(负极)焊接到“后面电池”的背面电极(正极)上,这样依次将36片串接在一起并在组件串的正负极焊接出引线。

背面串接好且经过检验合格后,将组件串、玻璃和切割好的EVA 、玻璃纤维、背板按照一定的层次敷设好,准备层压。玻璃事先涂一层试剂(primer)以增加玻璃和EVA的粘接强度。敷设时保证电池串与玻璃等材料的相对位置,调整好电池间的距离,为层压打好基础。(敷设层次:由下向上:钢化玻璃、EVA、电池片、EVA、玻璃纤维、背板)。

将敷设好的电池放入层压机内,通过抽真空将组件内的空气抽出,然后加热使EVA熔化将电池、玻璃和背板粘接在一起;最后冷却取出组件。层压工艺是组件生产的关键一步,层压温度层压时间根据EVA的性质决定。我们使用快速固化EVA时,层压循环时间约为25分钟。固化温度为150℃。

层压时EVA熔化后由于压力而向外延伸固化形成毛边,所以层压完毕应将其切除。

类似与给玻璃装一个镜框;给玻璃组件装铝框,增加组件的强度,进一步的密封电池组件,延长电池的使用寿命。边框和玻璃组件的缝隙用硅酮树脂填充。各边框间用角键连接。

在组件背面引线处焊接一个盒子,以利于电池与其他设备或电池间的连接。

高压测试是指在组件边框和电极引线间施加一定的电压,测试组件的耐压性和绝缘强度,以保证组件在恶劣的自然条件(雷击等)下不被损坏。

测试的目的是对电池的输出功率进行标定,测试其输出特性,确定组件的质量等级。主要就是模拟太阳光的测试Standard test condition(STC),一般一块电池板所需的测试时间在7-8秒左右。

当天然气、煤炭、石油等不可再生能源频频告急,能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈时,越来越多的国家开始实行“阳光计划”,开发太阳能资源,寻求经济发展的新动力。欧洲一些高水平的核研究机构也开始转向可再生能源。在国际光伏市场巨大潜力的推动下,各国的太阳能电池制造业争相投入巨资,扩大生产,以争一席之地。

全球太阳能电池产业1994-2004年10年里增长了17倍,太阳能电池生产主要分布在日本、欧洲和美国。2006年全球太阳能电池安装规模已达1744MW,较2005年成长19%,整个市场产值已正式突破100亿美元大关。2007年全球太阳能电池产量达到3436MW,较2006年增长了56%。

中国对太阳能电池的研究起步于1958年,20世纪80年代末期,国内先后引进了多条太阳能电池生产线,使中国太阳能电池生产能力由原来的3个小厂的几百kW一下子提升到4个厂的4.5MW,这种产能一直持续到2002年,产量则只有2MW左右。2002年后,欧洲市场特别是德国市场的急剧放大和无锡尚德太阳能电力有限公司的横空出世及超常规发展给中国光伏产业带来了前所未有的发展机遇和示范效应。

中国已成为全球主要的太阳能电池生产国。2007年全国太阳能电池产量达到1188MW,同比增长293%。中国已经成功超越欧洲、日本为世界太阳能电池生产第一大国。在产业布局上,中国太阳能电池产业已经形成了一定的集聚态势。在长三角、环渤海、珠三角、中西部地区,已经形成了各具特色的太阳能产业集群。

中国的太阳能电池研究比国外晚了20年,尽管10余年来国家在这方面逐年加大了投入,但投入仍然不够,与国外差距还是很大。政府应加强政策引导和政策激励,尽快解决太阳能发电上网与合理定价等问题。同时可借鉴国外的成功经验,在公共设施、政府办公楼等领域强制推广使用太阳能,充分发挥政府的示范作用,推动国内市场尽快起步和良性发展。

太阳能光伏发电在不远的将来会占据世界能源消费的重要席位,不但要替代部分常规能源,而且将成为世界能源供应的主体。预计到2030年,可再生能源在总能源结构中将占到30%以上,而太阳能光伏发电在世界总电力供应中的占比也将达到10%以上;到2040年,可再生能源将占总能耗的50%以上,太阳能光伏发电将占总电力的20%以上;到21世纪末,可再生能源在能源结构中将占到80%以上,太阳能发电将占到60%以上。这些数字足以显示出太阳能光伏产业的发展前景及其在能源领域重要的战略地位。由此可以看出,太阳能电池市场前景广阔。

太阳能离网发电系统包括1、太阳能控制器(光伏控制器和风光互补控制器)对所发的电能进行调节和控制,一方面把调整后的能量送往直流负载或交流负载,另一方面把多余的能量送往蓄电池组储存,当所发的电不能满足负载需要时,太阳能控制器又把蓄电池的电能送往负载。蓄电池充满电后,控制器要控制蓄电池不被过充。当蓄电池所储存的电能放完时,太阳能控制器要控制蓄电池不被过放电,保护蓄电池。控制器的性能不好时,对蓄电池的使用寿命影响很大,并最终影响系统的可靠性。2、太阳能蓄电池组的任务是贮能,以便在夜间或阴雨天保证负载用电。3、太阳能逆变器[2]负责把直流电转换为交流电,供交流负荷使用。太阳能逆变器是光伏风力发电系统的核心部件。由于使用地区相对落后、偏僻,维护困难,为了提高光伏风力发电系统的整体性能,保证电站的长期稳定运行,对逆变器的可靠性提出了很高的要求。另外由于新能源发电成本较高,太阳能逆变器的高效运行也显得非常重要。

太阳能离网发电系统主要产品分类 A、光伏组件 B、风机 C、控制器 D、蓄电池组E、逆变器 F、风力/光伏发电控制与逆变器一体化电源。

可再生能源并网发电系统是将光伏阵列、风力机以及燃料电池等产生的可再生能源不经过蓄电池储能,通过并网逆变器直接反向馈入电网的发电系统。

因为直接将电能输入电网,免除配置蓄电池,省掉了蓄电池储能和释放的过程,可以充分利用可再生能源所发出的电力,减小能量损耗,降低系统成本。并网发电系统能够并行使用市电和可再生能源作为本地交流负载的电源,降低整个系统的负载缺电率。同时,可再生能源并网系统可以对公用电网起到调峰作用。并网发电系统是太阳能风力发电的发展方向,代表了21世纪最具吸引力的能源利用技术。

太阳能并网发电系统主要产品分类 A、光伏并网逆变器B、小型风力机并网逆变器 C、大型风机变流器 (双馈变流器,全功率变流器) 。

染料感光太阳电池(Dye-sensitized solar cell,DSSC)是新被开发出来的一种崭新的太阳电池。DSsC也被称为Grätzel cell,因为是在1991年由Grätzel等人发表的构造和一般光伏特电池不同,其基板通常是玻璃,也可以是透明且可弯曲的聚合箔(polymer foil),玻璃上有一层透明导电的氧化物(transparent conducting oxide,TCO)通常是使用FTO(SnO2:F),然后长有一层约10微米厚的porous纳米尺寸的 TiO2粒子(约10~20 nm)形成一nano-porous薄膜。然后涂上一层染料附着于TiO2的粒子上。通常染料是采用ruthenium polypyridyl complex。上层的电极除了也是使用玻璃和TCO外,也镀上一层铂当电解质反应的催化剂,二层电极间,则注入填满含有iodide/triiodide电解质。虽然DSC电池的最高转换效率约在12%左右(理论最高29),但是制造过程简单,所以一般认将大幅降低生产成本,也同时降低每度电的电费。

串叠型电池(Tandem Cell)属于一种运用新颖原件结构的电池,借由设计多层不同能隙的太阳能电池来达到吸收效率最佳化的结构设计。由理论计算可知,如果在结构中放入越多层数的电池,将可把电池效率逐步提升,甚至可达到50%的转换效率。

光纤太阳能电池(Fiber-based solar cell 或者Fiber cell)由美国Wake Forest University纳米与分子研究中心首先提出,并在美国《AppliedPhysics Letters》(doi:10.1063/1.3263947)和《Physical Review B》(DOI: 10.1103/PhysRevB.84.085206,2011)上报道了这种电池的最新成果。它利用特有的光纤结构,并结合有机吸收层,达到了超出平面电池的吸收效率,并已被证明能够很好的应用到超光强的聚光型电站中。

据美国物理学家组织网报道,美国能源部布鲁克海文国家实验室和洛斯阿拉莫斯国家实验室的科学家们研发出了一种可吸收光线并将其大面积转化成为电能的新型透明薄膜。这种薄膜以半导体和富勒烯为原料,具有微蜂窝结构。相关研究发表在最新一期的《材料化学》杂志上,论文称该技术可被用于开发透明的太阳能电池板,甚至还可以用这种材料制成可以发电的窗户。 这种材料由掺杂碳富勒烯的半导体聚合物组成。在严格控制的条件下,该材料可通过自组装方式由一个微米尺度的六边形结构展开为一个数毫米大小布满微蜂窝结构的平面。

负责该研究的美国布鲁克海文国家实验室多功能纳米材料中心的物理化学家米尔恰卡特莱特说,虽然这种蜂窝状薄膜的制作采用了与传统高分子材料(如聚苯乙烯)类似的工艺,但以半导体和富勒烯为原料,并使其能够吸收光线产生电荷这还是第一次。

据介绍,该材料之所以还能在外观上保持透明是因为聚合物链只与六边形的边缘紧密相连,而其余部分的结构则较为简单,以连接点为中心向外越来越薄。这种结构具有连接作用,同时具有较强的吸收光线的能力,也有利于传导电流,而其他部分相对较薄也更为透明,主要起透光的作用。

研究人员通过一种十分独特的方式来编织这种蜂窝状薄膜:首先在包含聚合物以及富勒烯在内的溶液中加入一层极薄的微米尺度的小水滴。这些水滴在接触到聚合物溶液后就会自组装成大型阵列,而当溶剂完全蒸发后,就会形成一块大面积的六边形蜂窝状平面。此外,研究人员发现聚合物的形成与溶剂的蒸发速度紧密相关,这相应地又会决定最终材料的电荷传输速度。溶剂蒸发得越慢,聚合物的结构就越紧凑,电荷传输速度也就越快。

“这是一种成本低廉而效益显著的制备方法,很有潜力从实验室应用到大规模商业化生产之中。”卡特莱特说。

通过扫描探针式电子显微镜和荧光共焦扫描显微镜,研究人员证实了新材料蜂窝结构的均匀性,并对其不同部位(边缘、中心、节点)的光学性质和电荷产生情况进行了测试。

卡特莱特表示:“我们的工作让人们对蜂窝结构的光学特征有了更深的了解。下一步我们计划将这种材料应用于透明且可卷曲的柔性太阳能电池以及其他设备的制造当中,以推动这种蜂窝薄膜尽快进入实用阶段。”

美国斯坦福大学研究人员最新研究发现,加热铁锈之类金属氧化物,可以提升特定太阳能电池的转换效率和能量储存效率。

斯坦福大学研究人员在不同温度条件下测试三种金属氧化物,分别是钒酸铋、氧化钛和氧化铁,所获结果超出预想:温度升高时,电子通过这三种氧化物的速率加快,所产生的氢气和氧气量相应增加。而以阳光加热金属氧化物,所产生的氢气可以增加一倍。

综合利用热量和阳光,以金属氧化物为转换材料,借助对水分子的分解,高效储存太阳取之不尽的能量,可以按需供应能源。

美国商务部提高了对中国输美太阳能电池产品的反补贴关税,但维持或削减了对此类产品的反倾销关税。此案加剧了中美之间的贸易紧张。

此案也使美国的太阳能行业出现分歧(一个阵营是在美国拥有大规模制造业务的企业,另一个阵营是依赖中国输美产品的企业),并引发了北京方面的报复行动。

美国商务部周三表示,将对进口的太阳能电池产品征收14.78%至15.97%(取决于具体制造企业)的反补贴关税,显著高于其在3月份宣布的 2.9%至4.73%的初裁关税。但美国商务部同时决定,维持或削减其在5月份宣布的反倾销关税(针对美方认为定价低得不公平的进口产品)。

购买中国输美太阳能电池的企业的联盟平价太阳能运动(Campaign for Affordable Solar Energy)的主席基格沙(Jigar Shah)表示:“我们高兴地看到商务部没有在初裁的基础上大幅提高关税。”

但此案(美国在可再生能源行业展开的首次反倾销行动)仍是美中之间的一个紧张源。中国已宣布对从美国进口的太阳能电池原料多晶硅启动反倾销调查,此举明显意在报复。

此案还突显了美国对来自中国和越南等所谓“非市场经济体”的同一类进口产品征收反补贴和反倾销关税的有争议做法;在暂停这种做法23年后,乔 治W布什(George W. Bush)政府在2007年重启了这项政策。美国一家联邦法院曾宣告这种做法是不合法的,但事后美国国会通过了相关立法,推翻了法院的裁决。

9月份,就在美国总统巴拉克奥巴马(Barack Obama)宣布在世贸组织(WTO)提起针对中国的诉讼、指控中国向汽车零部件产业提供非法出口补贴的同一天,中国在世贸组织提起了针对美国上述新法的诉讼。

由总部位于德国的SolarWorld公司(其美国业务带头敦促开征上述进口关税)领头的一群企业,已呼吁欧盟对中国太阳能产品开征类似关税。但欧 盟案的前景在8月出现变数,因为德国总理安格拉默克尔(Angela Merkel)在当月访华时表示,她更希望通过谈判达成解决方案 。

太阳电池的材料种类非常的多,可以有非晶硅、多晶硅、CdTe、CuInxGa(1-x)Se2等半导体的、或三五族、二六族的元素链结的材料,简单地说,凡光照后,而产生电能的,就是太阳电池寻找的材料。

电动车太阳充电站主要是透过不同的制程和方法,测试对光的反应和吸收,做到能隙结合宽广,让短波长或长波长都可以全盘吸收的革命性突破,来降低材料的成本。

太阳电池型式上也分有,基板式或是薄膜式,基板在制程上可分拉单晶式的、或相溶后冷却结成多晶的块材,薄膜式是可和建筑物有较佳结合,如有曲度或可挠式、折叠型,材料上较常用非晶硅。另外还有一种有机或纳米材料研发,仍属于前瞻研发。因此,也就是听到不同世代的太阳电池:第一代基板硅晶(Silicon Based)、第二代为薄膜(Thin Film)、第三代新观念研发(New Concept)、第四代复合薄膜材料。

第一代太阳能电池发展最长久技术也最成熟。可分为,单晶硅(Monocrystalline Silicon)、多晶硅(Polycrystalline Silicon)、非晶硅(Amorphous Silicon)。以应用来说是以前两者单晶硅与多晶硅为大宗。

第二代薄膜太阳能电池以薄膜制程来制造电池。种类可分为碲化镉(Cadmium Telluride CdTe)、铜铟硒化物(Copper Indium Selenide CIS)、铜铟镓硒化物(Copper Indium Gallium Selenide CIGS)、砷化镓(Gallium arsenide GaAs)

第三代电池与前代电池最大的不同是制程中导入有机物和纳米科技。种类有光化学太阳能电池、染料光敏化太阳能电池、高分子太阳能电池、纳米结晶太阳能电池。

第四代则是针对电池吸收光的薄膜做出多层结构。

某种电池制造技术。并非仅能制造一种类型的电池,例如在多晶硅制程,既可制造出硅晶版类型,也可以制造薄膜类型。

聚合物太阳能电池材料常见的有聚乙烯基咔唑(PVK)、聚乙炔(PA)、聚对苯撑乙烯(PPV)以及聚噻吩(PTh)。

(1)聚乙烯基咔唑(PVK)

具有光电活性的聚合物中,发现最早、研究得最为充分的是PVK,它的侧基上带有大的电子共轭体系,可吸收紫外光。激发出的电子可以通过相邻咔唑环形成的电荷复合物自由迁移。通常用I2、SbCl3、三硝基芴酮(TNF)、及硝基二苯乙烯基苯衍生物合四氰醌(TCNQ)等对其进行掺杂。

(2)聚乙炔(PA)

PA是迄今为止实测电导率最高的电子聚合物。它的聚合方法主要有白川英树法、Namm方法、Durham方法和稀土催化体系。白川英树采用高浓度的Ziegler-Natta催化剂,即TiOBu4-A1Et3,由气相乙炔出发,直接制备出自支撑的具有金属光泽的聚乙炔膜;在取向了的液晶基质上成膜,PA膜也高度取向。Narrman方法的特点是对聚合催化剂“高温陈化”,因而聚合物力学性质和稳定性有明显改善。

(3)聚对苯撑乙烯(PPV)

近年来在光电领域应用最广泛的、制得器件效率最高的是PPV类材料。由于是共轭结构,分子链钢性很强,往往难熔难溶,不易加工。获得可溶性PPV的方法是在苯环上至少引入一个长链烷烃。烷烃碳个数至少大于6。研究还发现取代基有支链时比相同碳数的直链烷烃溶解度更好。具有代表性的材料是MEH-PPV(MEH; 2-methoxy-5(2’-ethylhexyloxy)),它具有较好的溶解性,使用方便;禁带宽度为2.1eV,较为适中。

(4)聚噻吩(PT)衍生物

在所有的共轭聚合物中,聚噻吩是一种非常优良的光伏材料,因为其具有合适的带隙和较高的空穴迁移率,所以成为了来有机光伏材料的研究热点之一。其中,以区域规整的聚(3-己基)噻吩(P3HT)和可溶性C60衍生物PCBM的共混膜做为活性层的光伏器件在热处理的情况下能量转换效率最高,能量转换效率已经达到了5%左右。因此,设计并合成出新型的聚噻吩衍生物,研究聚噻吩结构和性质之间的关系,通过结构修饰来改善聚噻吩衍生物的性质引起了广大科研人员的关注。从光伏材料的角度来考虑,这些聚噻吩衍生物应该具有最基本的性质:好的溶解性和成膜性,较宽的吸收光谱(尤其在可见光区)和较高载流子迁移率 。


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