太陽能電池

太陽能電池

太陽能電池又稱為“太陽能晶片”或“光電池”,是一種利用太陽光直接發電的光電半導體薄片。它只要被滿足一定照度條件的光照到,瞬間就可輸出電壓及在有迴路的情況下產生電流。在物理學上稱為太陽能光伏(Photovoltaic,縮寫為PV),簡稱光伏。 太陽能電池是通過光電效應或者光化學效應直接把光能轉化成電能的裝置。以光電效應工作的晶矽太陽能電池為主流,而以光化學效應工作的薄膜電池實施太陽能電池則還處於萌芽階段。

發展

數據顯示2012年,我國太陽能電池繼續保持產量和性價比優勢,國際競爭力愈益增強。

隨著太陽能電池行業的不斷發展,內業競爭也在不斷加劇,大型太陽能電池企業間併購整合與資本運作日趨頻繁,國內優秀的太陽能電池生產企業愈來愈重視對行業市場的研究,特別是對產業發展環境和產品購買者的深入研究。正因為如此,一大批國內優秀的太陽能電池品牌迅速崛起,逐漸成為太陽能電池行業中的翹楚 。

歷史

太陽能電池 太陽能電池

術語“光生伏特(Photovoltaics)”來源於希臘語,意思是光、伏特和電氣的,來源於義大利物理學家亞歷山德羅·伏特的名字,在亞歷山德羅·伏特以後“伏特”便作為電壓的單位使用。

以太陽能發展的歷史來說,光照射到材料上所引起的“光起電力”行為,早在19世紀的時候就已經發現了。

1839年,光生伏特效應第一次由法國物理學家A.E.Becquerel發現。1849年術語“光-伏”才出現在英語中。

1883年第一塊太陽電池由Charles Fritts製備成功。Charles用硒半導體上覆上一層極薄的金層形成半導體金屬結,器件只有1%的效率。

到了20世紀30年代,照相機的曝光計廣泛地使用光起電力行為原理。

1946年Russell Ohl申請了現代太陽電池的製造專利。

到了20世紀50年代,隨著半導體物性的逐漸了解,以及加工技術的進步,1954年當美國的貝爾實驗室在用半導體做實驗發現在矽中摻入一定量的雜質後對光更加敏感這一現象後,第一個太陽能電池在1954年誕生在貝爾實驗室。太陽電池技術的時代終於到來。

自20世紀58年代起,美國發射的人造衛星就已經利用太陽能電池作為能量的來源。

20世紀70年代能源危機時,讓世界各國察覺到能源開發的重要性。

1973年發生了石油危機,人們開始把太陽能電池的套用轉移到一般的民生用途上。

在美國、日本和以色列等國家,已經大量使用太陽能裝置,更朝商業化的目標前進。

在這些國家中,美國於1983年在加州建立世界上最大的太陽能電廠,它的發電量可以高達16百萬瓦特。南非、波札那、納米比亞和非洲南部的其他國家也設立專案,鼓勵偏遠的鄉村地區安裝低成本的太陽能電池發電系統。

而推行太陽能發電最積極的國家首推日本。1994年日本實施補助獎勵辦法,推廣每戶3,000瓦特的“市電並聯型太陽光電能系統”。在第一年,政府補助49%的經費,以後的補助再逐年遞減。“市電並聯型太陽光電能系統”是在日照充足的時候,由太陽能電池提供電能給自家的負載用,若有多餘的電力則另行儲存。當發電量不足或者不發電的時候,所需要的電力再由電力公司提供。到了1996年,日本有2,600戶裝置太陽能發電系統,裝設總容量已經有8百萬瓦特。一年後,已經有9,400戶裝置,裝設的總容量也達到了32百萬瓦特。隨著環保意識的高漲和政府補助金的制度,預估日本住家用太陽能電池的需求量,也會急速增加。

在中國,太陽能發電產業亦得到政府的大力鼓勵和資助。2009年3月,財政部宣布擬對太陽能光電建築等大型太陽能工程進行補貼 。

原理

太陽光照在半導體p-n結上,形成新的空穴-電子對,在p-n結內建電場的作用下,光生空穴流向p區,光生電子流向n區,接通電路後就產生電流。這就是光電效應太陽能電池的工作原理。

太陽能發電有兩種方式,一種是光—熱—電轉換方式,另一種是光—電直接轉換方式。

光—熱—電轉換

光—熱—電轉換方式通過利用太陽輻射產生的熱能發電,一般是由太陽能集熱器將所吸收的熱能轉換成工質的蒸氣,再驅動汽輪機發電。前一個過程是光—熱轉換過程;後一個過程是熱—電轉換過程,與普通的火力發電一樣。太陽能熱發電的缺點是效率很低而成本很高,估計它的投資至少要比普通火電站貴5~10倍。一座1000MW的太陽能熱電站需要投資20~25億美元,平均1kW的投資為2000~2500美元。因此,只能小規模地套用於特殊的場合,而大規模利用在經濟上很不合算,還不能與普通的火電站或核電站相競爭。

光—電直接轉換

太陽能電池發電是根據特定材料的光電性質製成的。黑體(如太陽)輻射出不同波長(對應於不同頻率)的電磁波, 如紅外線、紫外線、可見光等等。當這些射線照射在不同導體或半導體上,光子與導體或半導體中的自由電子作用產生電流。射線的波長越短,頻率越高,所具有的能量就越高,例如紫外線所具有的能量要遠遠高於紅外線。但是並非所有波長的射線的能量都能轉化為電能,值得注意的是光電效應於射線的強度大小無關,只有頻率達到或超越可產生光電效應的閾值時,電流才能產生。能夠使半導體產生光電效應的光的最大波長同該半導體的禁頻寬度相關,譬如晶體矽的禁頻寬度在室溫下約為1.155eV,因此必須波長小於1100nm的光線才可以使晶體矽產生光電效應。 太陽電池發電是一種可再生的環保發電方式,發電過程中不會產生二氧化碳等溫室氣體,不會對環境造成污染。按照製作材料分為矽基半導體電池、CdTe薄膜電池、CIGS薄膜電池、染料敏化薄膜電池、有機材料電池等。其中矽電池又分為單晶電池、多晶電池和無定形矽薄膜電池等。對於太陽電池來說最重要的參數是轉換效率,在實驗室所研發的矽基太陽能電池中,單晶矽電池效率為25.0%,多晶矽電池效率為20.4%,CIGS薄膜電池效率達19.6%,CdTe薄膜電池效率達16.7%,非晶矽(無定形矽)薄膜電池的效率為10.1%

太陽電池是一種可以將能量轉換的光電元件,其基本構造是運用P型與N型半導體接合而成的。半導體最基本的材料是“矽”,它是不導電的,但如果在半導體中摻入不同的雜質,就可以做成P型與N型半導體,再利用P型半導體有個空穴(P型半導體少了一個帶負電荷的電子,可視為多了一個正電荷),與N型半導體多了一個自由電子的電位差來產生電流,所以當太陽光照射時,光能將矽原子中的電子激發出來,而產生電子和空穴的對流,這些電子和空穴均會受到內建電位的影響,分別被N型及P型半導體吸引,而聚集在兩端。此時外部如果用電極連線起來,形成一個迴路,這就是太陽電池發電的原理。

簡單的說,太陽光電的發電原理,是利用太陽電池吸收0.4μm~1.1μm波長(針對矽晶)的太陽光,將光能直接轉變成電能輸出的一種發電方式。

由於太陽電池產生的電是直流電,因此若需提供電力給家電用品或各式電器則需加裝直/交流轉換器,換成交流電,才能供電至家庭用電或工業用電。

太陽能電池的充電發展太陽能電池套用在消費性商品上,大多有充電的問題,過去一般的充電對象採用鎳氫或鎳鎘乾電池,但是鎳氫乾電池無法抗高溫,鎳鎘乾電池有環保污染的問題。超級電容發展快速,容量超大,面積反縮小,加上價格低廉,因此有部份太陽能產品開始改採超級電容為充電對象,因而改善了太陽能充電的許多問題:

1.

充電較快速,

2.

壽命長5倍以上,

3.

充電溫度範圍較廣,

4.

減少太陽能電池用量(可低壓充電) 。

電池組件

太陽能電池組件構成及各部分功能——

1)鋼化玻璃其作用為保護髮電主體(如電池片),透光其選用是有要求的: 1.透光率必須高(一般91%以上);2.超白鋼化處理。

2) EVA 用來粘結固定鋼化玻璃和發電主體(如電池片),透明EVA材質的優劣直接影響到組件的壽命,暴露在空氣中的EVA易老化發黃,從而影響組件的透光率,從而影響組件的發電質量除了EVA本身的質量外,組件廠家的層壓工藝影響也是非常大的,如EVA膠連度不達標,EVA與鋼化玻璃、背板粘接強度不夠,都會引起EVA提早老化,影響組件壽命。主要粘結封裝發電主體和背板。

3)電池片主要作用就是發電,發電主體市場上主流的是晶體矽太陽電池片、薄膜太陽能電池片,兩者各有優劣。晶體矽太陽能電池片,設備成本相對較低,光電轉換效率也高,在室外陽光下發電比較適宜,但消耗及電池片成本很高;薄膜太陽能電池,消耗和電池成本很低,弱光效應非常好,在普通燈光下也能發電,但相對設備成本較高,光電轉化效率相對晶體矽電池片一半多點,如計算器上的太陽能電池。

4)背板作用,密封、絕緣、防水(一般都用TPT、TPE等材質必須耐老化,大部分組件廠家都是質保25年,鋼化玻璃,鋁合金一般都沒問題,關鍵就在與背板和矽膠是否能達到要求。)

5)鋁合金保護層壓件,起一定的密封、支撐作用。

6)接線盒保護整個發電系統,起到電流中轉站的作用,如果組件短路接線盒自動斷開短路電池串,防止燒壞整個系統接,線盒中最關鍵的是二極體的選用,根據組件內電池片的類型不同,對應的二極體也不相同。

7)矽膠密封作用,用來密封組件與鋁合金框線、組件與接線盒交界處。有些公司使用雙面膠條、泡棉來替代矽膠,國內普遍使用矽膠,工藝簡單,方便,易操作,而且成本很低。

基本特性

太陽能電池的基本特性有太陽能電池的極性、太陽電池的性能參數、太陽能電環保電池的伏安特性三個基本特性。具體解釋如下

1、太陽能電池的極性

矽太陽能電池的一般製成P+/N型結構或N+/P型結構,P+和N+,表示太陽能電池正面光照層半導體材料的導電類型;N和P,表示太陽能電池背面襯底半導體材料的導電類型。太陽能電池的電性能與製造電池所用半導體材料的特性有關。

2、太陽電池的性能參數

太陽電池的性能參數由開路電壓、短路電流、最大輸出功率、填充因子、轉換效率等組成。這些參數是衡量太陽能電池性能好壞的標誌。

3 太陽能電池的伏安特性

P-N結太陽能電池包含一個形成於表面的淺P-N結、一個條狀及指狀的正面歐姆接觸、一個涵蓋整個背部表面的背面歐姆接觸以及一層在正面的抗反射層。當電池暴露於太陽光譜時,能量小于禁頻寬度Eg的光子對電池輸出並無貢獻。能量大于禁頻寬度Eg的光子才會對電池輸出貢獻能量Eg,小於Eg的能量則會以熱的形式消耗掉。因此,在太陽能電池的設計和製造過程中,必須考慮這部分熱量對電池穩定性、壽命等的影響。

性能參數

1、開路電壓

開路電壓UOC:即將太陽能電池置於AM1.5光譜條件、100 mW/cm2的光源強度照射下,在兩端開路時,太陽能電池的輸出電壓值。

2、短路電流

短路電流ISC:就是將太陽能電池置於AM1.5光譜條件、100 mW/cm2的光源強度照射下,在輸出端短路時,流過太陽能電池兩端的電流值。

3、最大輸出功率

太陽能電池的工作電壓和電流是隨負載電阻而變化的,將不同阻值所對應的工作電壓和電流值做成曲線就得到太陽能電池的伏安特性曲線。如果選擇的負載電阻值能使輸出電壓和電流的乘積最大,即可獲得最大輸出功率,用符號Pm表示。此時的工作電壓和工作電流稱為最佳工作電壓和最佳工作電流,分別用符號Um和Im表示。

4、填充因子

太陽能電池的另一個重要參數是填充因子FF(fill factor),它是最大輸出功率與開路電壓和短路電流乘積之比。

FF: 是衡量太陽能電池輸出特性的重要指標, 是代表太陽能電池在帶最佳負載時, 能輸出的最大功率的特性,其值越大表示太陽能電池的輸出功率越大。FF 的值始終小於1。串、並聯電阻對填充因子有較大影響。串聯電阻越大,短路電流下降越多,填充因子也隨之減少的越多;並聯電阻越小,其分電流就越大,導致開路電壓就下降的越多,填充因子隨之也下降的越多。

5、轉換效率

太陽能電池的轉換效率指在外部迴路上連線最佳負載電阻時的最大能量轉換效率,等於太陽能電池的輸出功率與入射到太陽能電池表面的能量之比。太陽能電池的光電轉換效率是衡量電池質量和技術水平的重要參數,它與電池的結構、結特性、材料性質、工作溫度、放射性粒子輻射損傷和環境變化等有關 。

功率計算

太陽能交流發電系統是由太陽電池板、充電控制器、逆變器和蓄電池共同組成;太陽能直流發電系統則不包括逆變器。為了使太陽能發電系統能為負載提供足夠的電源,就要根據用電器的功率,合理選擇各部件。下面以100W輸出功率,每天使用6個小時為例,介紹一下計算方法:
1.首先應計算出每天消耗的瓦時數(包括逆變器的損耗):

若逆變器的轉換效率為90%,則當輸出功率為100W時,則實際需要輸出功率應為100W/90%≈111W;若按每天使用5小時,則耗電量為111W×5h=555Wh。

1.

計算太陽能電池板:

按每日有效日照時間為6小時計算,再考慮到充電效率和充電過程中的損耗,太陽能電池板的輸出功率應為555Wh/6h/70%=130W。其中70%是充電過程中,太陽能電池板的實際使用功率。

產業現狀

太陽能電池主要是以半導體材料為基礎,其工作原理是利用光電材料吸收光能後發生光電於轉換反應,根據所用材料的不同,太陽能電池可分為:1、矽太陽能電池;2、以無機鹽如砷化鎵III-V化合物、硫化鎘、銅銦硒等多元化合物為材料的電池;3、功能高分子材料製備的太陽能電池;4、納米晶太陽能電池等。

套用現狀

光伏發電 光伏發電

據Dataquest的統計資料顯示,全世界共有136 個國家投入普及套用太陽能電池的熱潮中,其中有95 個國家正在大規模地進行太陽能電池的研製開發,積極生產各種相關的節能新產品。1998年,全世界生產的太陽能電池,其總的發電量達1000兆瓦,1999年達 2850兆瓦。根據歐洲光伏工業協會EPIA2008年的預測,如果按照2007年全球裝機容量為2.4GW來計算,2010年全球的年裝機容量將達到6.9GW,2020年和2030年將分別達到56GW和281GW,2010年全球累計裝機容量為25.4GW,預計2020年達到278GW,2030年達到1864GW。全球太陽能電池產量以年均複合增長率47%的速度迅猛增長,2008年產量達到6.9GW。

太陽能電池汽車 太陽能電池汽車

許多國家正在制訂中長期太陽能開發計畫,準備在21世紀大規模開發太陽能,美國能源部推出的是國家光伏計畫,日本推出的是陽光計畫。NREL光伏計畫是美國國家光伏計畫的一項重要的內容,該計畫在單晶矽和高級器件、薄膜光伏技術、PVMaT、光伏組件以及系統性能和工程、 光伏套用和市場開發等5個領域開展研究工作。

美國還推出了"太陽能路燈計畫",旨在讓美國一部分城市的路燈都改為由太陽能供電,根據計畫,每盞路燈每年可節電800 度。日本也正在實施太陽能"7萬套工程計畫", 日本準備普及的太陽能住宅發電系統,主要是裝設在住宅屋頂上的太陽能電池發電設備,家庭用剩餘的電量還可以賣給電力公司。一個標準家庭可安裝一部發電3000瓦的系統。歐洲則將研究開發太陽能電池列入著名的"尤里卡"高科技計畫,推出了10萬套工程計畫"。這些以普及套用光電池為主要內容的"太陽能工程"計畫是推動太陽能光電池產業大發展的重要動力之一。

日本、韓國以及歐洲地區總共8個國家決定攜手合作,在亞洲內陸及非洲沙漠地區建設世界上規模最大的太陽能發電站,他們的目標是將占全球陸地面積約1/4的沙漠地區的長時間日照資源有效地利用起來,為30萬用戶提供100萬千瓦的電能。計畫將從2001年開始,花4年時間完成。

美國和日本在世界光伏市場上占有最大的市場份額。美國擁有世界上最大的光伏發電廠,其功率為7MW,日本也建成了發電功率達1MW的光伏發電廠。全世界總共有23萬座光伏發電設備,以色列、澳大利亞、紐西蘭居於領先地位。

20世紀90年代以來,全球太陽能電池行業以每年15%的增幅持續不斷地發展。據Dataquest發布的最新統計和預測報告顯示,美國、日本和西歐工業已開發國家在研究開發太陽能方面的總投資,1998年達570億美元;1999年646億美元;2000年700億美元;2001年將達820億美元;2002年有望突破1000億美元。

中國現狀

中國對太陽能電池的研究開發工作高度重視,早在七五期間,非晶矽半導體的研究工作已經列入國家重大課題;八五和九五期間,中國把研究開發的重點放在大面積太陽能電池等方面。2003年10月,國家發改委、科技部制定出未來5年太陽能資源開發計畫,發改委"光明工程"將籌資100億元用於推進太陽能發電技術的套用,計畫到2015年全國太陽能發電系統總裝機容量達到300兆瓦。中國已成為全球光伏產品最大製造國,中國即將出台的《新能源振興規劃》,中國光伏發電的裝機容量規劃為2020年達到20GW,是原來《可再生能源中長期規劃》中1.8GW的10多倍。

多晶矽太陽能電池 多晶矽太陽能電池

2002年,國家有關部委啟動了"西部省區無電鄉通電計畫",通過太陽能和小型風力發電解決西部七省區無電鄉的用電問題。這一項目的啟動大大刺激了太陽能發電產業,國內建起了幾條太陽能電池的封裝線,使太陽能電池的年生產量迅速增加。據專家預測,中國光伏市場需求量為每年5MW,2001~2010年,年需求量將達10MW,從2011年開始,中國光伏市場年需求量將大於20MW。

2009年,國務院根據工信提供的報告指出多晶矽產能過剩,實際業界人並不認可,科技部已經表態,多晶矽產能並不過剩。

發展前景

太陽能電池的套用已從軍事領域、航天領域進入工業、商業、農業、 通信、家用電器以及公用設施等部門,尤其可以分散地在邊遠地區、高山、沙漠、海島和農村使用,以節省造價很貴的輸電線路。但是在現階段,它的成本還很高,發出1kW電需要投資上萬美元,因此大規模使用仍然受到經濟上的限制。

市場上銷售的光伏電池主要是單晶矽為原料生產的。由於單晶矽電池生產能耗大,一些專家認為現有單晶矽電池生產能耗大於其生命周期內捕獲的太陽能,是沒有價值的。最樂觀的估計是需要10年左右時間,使用單晶矽電池所獲得的太陽能才能大於其生產所消耗的能量。而單晶矽是石英砂經還原,融化後拉單晶得到的。生產過程能耗大,產生的有毒有害物質多,環境污染嚴重。國外紛紛將其轉移到中國生產。我國各地大上單晶矽及單晶矽電池生產線。

然而,我們不掌握光伏電池生產技術。單晶矽光伏電池生產技術雖然很成熟,然而還在不斷發展,其他各種光伏電池技術也在不斷湧現。光伏電池的成本和光電轉換效率離真正市場化還有很大差距,光伏電池市場主要靠各國政府財政補貼。歐洲市場光伏發電補貼高達每度電1元以上。今後,要使光伏電池大規模套用,必須不斷改進光伏電池效率和生產成本,在這個過程中,生產技術和產品會不斷更新換代。其更新換代周期短,僅3-5年。光伏電池生產企業投資大,回收周期長,由於技術更新快,國內企業,如果不掌握技術,及時更新技術,就會很快被淘汰,很可能不能收回投資。

但是,從長遠來看,隨著太陽能電池製造技術的改進以及新的光—電轉換裝置的發明,各國對環境的保護和對再生清潔能源的巨大需求,太陽能電池仍將是利用太陽輻射能比較切實可行的方法,可為人類未來大規模地利用太陽能開闢廣闊的前景 。

分類

太陽能電池按結晶狀態可分為結晶系薄膜式和非結晶系薄膜式(以下表示為a-)兩大類,而前者又分為單結晶形和多結晶形。

按材料可分為矽薄膜形、化合物半導體薄膜形和有機膜形,而化合物半導體薄膜形又分為非結晶形(a-Si:H,a-Si:H:F,a-SixGel-x:H等)、ⅢV族(GaAs,InP等)、ⅡⅥ族(Cds系)和磷化鋅 (Zn 3 p 2 )等。

太陽能電池根據所用材料的不同,太陽能電池還可分為:矽太陽能電池、多元化合物薄膜太陽能電池、聚合物多層修飾電極型太陽能電池、納米晶太陽能電池、有機太陽能電池、塑膠太陽能電池,其中矽太陽能電池是發展最成熟的,在套用中居主導地位。

矽太陽能

國際空間站太陽能電池板 國際空間站太陽能電池板

矽太陽能電池分為單晶矽太陽能電池、多晶矽薄膜太陽能電池和非晶矽薄膜太陽能電池三種。

單晶矽太陽能電池轉換效率最高,技術也最為成熟。在實驗室里最高的轉換效率為24.7%,規模生產時的效率為15%(截止2011,為18%)。在大規模套用和工業生產中仍占據主導地位,但由於單晶矽成本價格高,大幅度降低其成本很困難,為了節省矽材料,發展了多晶矽薄膜和非晶矽薄膜作為單晶矽太陽能電池的替代產品。

多晶矽薄膜太陽能電池與單晶矽比較,成本低廉,而效率高於非晶矽薄膜電池,其實驗室最高轉換效率為18%,工業規模生產的轉換效率為10%(截止2011,為17%)。因此,多晶矽薄膜電池不久將會在太陽能電池市場上占據主導地位。

非晶矽薄膜太陽能電池成本低重量輕,轉換效率較高,便於大規模生產,有極大的潛力。但受制於其材料引發的光電效率衰退效應,穩定性不高,直接影響了它的實際套用。如果能進一步解決穩定性問題及提高轉換率問題,那么,非晶矽太陽能電池無疑是太陽能電池的主要發展產品之一。

多晶體薄膜

多晶體薄膜電池硫化鎘、碲化鎘多晶薄膜電池的效率較非晶矽薄膜太陽能電池效率高,成本較單晶矽電池低,並且也易於大規模生產,但由於鎘有劇毒,會對環境造成嚴重的污染,因此,並不是晶體矽太陽能電池最理想的替代產品。

砷化鎵(GaAs)III-V化合物電池的轉換效率可達28%,GaAs化合物材料具有十分理想的光學帶隙以及較高的吸收效率,抗輻照能力強,對熱不敏感,適合於製造高效單結電池。但是GaAs材料的價格不菲,因而在很大程度上限制了用GaAs電池的普及。

銅銦硒薄膜電池(簡稱CIS)適合光電轉換,不存在光致衰退問題,轉換效率和多晶矽一樣。具有價格低廉、性能良好和工藝簡單等優點,將成為今後發展太陽能電池的一個重要方向。唯一的問題是材料的來源,由於銦和硒都是比較稀有的元素,因此,這類電池的發展又必然受到限制。

有機聚合物

以有機聚合物代替無機材料是剛剛開始的一個太陽能電池製造的研究方向。由於有機材料柔性好,製作容易,材料來源廣泛,成本低等優勢,從而對大規模利用太陽能,提供廉價電能具有重要意義。但以有機材料製備太陽能電池的研究僅僅剛開始,不論是使用壽命,還是電池效率都不能和無機材料特別是矽電池相比。能否發展成為具有實用意義的產品,還有待於進一步研究探索。

納米晶

太陽能電池 太陽能電池

納米 晶體化學能太陽能電池是新近發展的,優點在於它廉價的成本和簡單的工藝及穩定的性能。其光電效率穩定在10%以上,製作成本僅為矽太陽電池的1/5~1/10.壽命能達到20年以上。

此類電池的研究和開發剛剛起步,不久的將來會逐步走上市場。

有機薄膜

有機薄膜太陽能電池,就是由有機材料構成核心部分的太陽能電池。大家對有機太陽能電池不熟悉,這是情理中的事。如今量產的太陽能電池裡,95%以上是矽基的,而剩下的不到5%也是由其它無機材料製成的。

染料敏化

染料敏化太陽能電池,是將一種色素附著在TiO2粒子上,然後浸泡在一種電解液中。色素受到光的照射,生成自由電子和空穴。自由電子被TiO2吸收,從電極流出進入外電路,再經過用電器,流入電解液,最後回到色素。染料敏化太陽能電池的製造成本很低,這使它具有很強的競爭力。它的能量轉換效率為12%左右。

塑膠電池

塑膠太陽能電池以可循環使用的塑膠薄膜為原料,能通過“卷對卷印刷”技術大規模生產,其成本低廉、環保。但塑膠太陽能電池尚不成熟,預計在未來5年到10年,基於塑膠等有機材料的太陽能電池製造技術將走向成熟並大規模投入使用。

發電效率

單晶矽太陽能的光電轉換效率最高的達到24%,這是所有種類的太陽能電池中光電轉換效率最高的。但是單晶矽太陽能電池的製作成本很大,以致於它還不能被大量廣泛和普遍地使用。多晶矽太陽能電池從製作成本上來講,比單晶矽太陽能電池要便宜一些,但是多晶矽太陽能電池的光電轉換效率則要降低不少,此外,多晶矽太陽能電池的使用壽命也要比單晶矽太陽能電池短。因此,從性能價格比來講,單晶矽太陽能電池還略好。

研究者發現有一些化合物半導體材料適於作太陽能光電轉化薄膜。例如CdS,CdTe;Ⅲ-V化合物半導體:GaAs,AIPInP等;用這些半導體製作的薄膜太陽能電池表現出很好光電轉化效率。具有梯度能帶間隙(導帶與價帶之間的能級差)多元的半導體材料,可以擴大太陽能吸收光譜範圍,進而提高光電轉化效率。使薄膜太陽能電池大量實際的套用呈現廣闊的前景。在這些多元的半導體材料中Cu(In,Ga)Se2是一種性能優良太陽光吸收材料。以它為基礎可以設計出光電轉換效率比矽薄膜太陽能電池明顯地高的薄膜太陽能電池,可以達到的光電轉化率為18% 。

組裝工藝

在這裡只簡單的介紹一下工藝的作用,給大家一個感性的認識.

封裝

組件線又叫封裝線,封裝是太陽能電池生產中的關鍵步驟,沒有良好的封裝工藝,多好的電池也生產不出好的組件板。電池的封裝不僅可以使電池的壽命得到保證,而且還增強了電池的抗擊強度。產品的高質量和高壽命是贏得可客戶滿意的關鍵,所以組件板的封裝質量非常重要。

流程

1、電池檢測——2、正面焊接—檢驗—3、背面串接—檢驗—4、敷設(玻璃清洗、材料切割、玻璃預處理、敷設)——5、層壓——6、去毛邊(去邊、清洗)——7、裝框線(塗膠、裝角鍵、沖孔、裝框、擦洗余膠)——8、焊接接線盒——9、高壓測試——10、組件測試—外觀檢驗—11、包裝入庫

質量保證技巧

1、高轉換效率、高質量的電池片;

2、高質量的原材料,例如:高的交聯度的EVA、高粘結強度的封裝劑(中性矽酮樹脂膠)、高透光率高強度的鋼化玻璃等;

3、合理的封裝工藝

4、員工嚴謹的工作作風;

由於太陽電池屬於高科技產品,生產過程中一些細節問題,一些不起眼問題如應該戴手套而不戴、應該均勻的塗刷試劑而潦草完事等都是影響產品質量的大敵,所以除了制定合理的製作工藝外,員工的認真和嚴謹是非常重要的。

電池測試

由於電池片製作條件的隨機性,生產出來的電池性能不盡相同,所以為了有效的將性能一致或相近的電池組合在一起,所以應根據其性能參數進行分類;電池測試即通過測試電池的輸出參數(電流和電壓)的大小對其進行分類。以提高電池的利用率,做出質量合格的電池組件。

正面焊接

是將匯流帶焊接到電池正面(負極)的主柵線上,匯流帶為鍍錫的銅帶,我們使用的焊接機可以將焊帶以多點的形式點焊在主柵線上。焊接用的熱源為一個紅外燈(利用紅外線的熱效應)。焊帶的長度約為電池邊長的2倍。多出的焊帶在背面焊接時與後面的電池片的背面電極相連

背面串接

太陽能電池板 太陽能電池板

背面焊接是將36片電池串接在一起形成一個組件串,採用的工藝是手動的,電池的定位主要靠一個膜具板,上面有36個放置電池片的凹槽,槽的大小和電池的大小相對應,槽的位置已經設計好,不同規格的組件使用不同的模板,操作者使用電烙鐵和焊錫絲將“前面電池”的正面電極(負極)焊接到“後面電池”的背面電極(正極)上,這樣依次將36片串接在一起並在組件串的正負極焊接出引線。

層壓敷設

背面串接好且經過檢驗合格後,將組件串、玻璃和切割好的EVA 、玻璃纖維、背板按照一定的層次敷設好,準備層壓。玻璃事先塗一層試劑(primer)以增加玻璃和EVA的粘接強度。敷設時保證電池串與玻璃等材料的相對位置,調整好電池間的距離,為層壓打好基礎。(敷設層次:由下向上:鋼化玻璃、EVA、電池片、EVA、玻璃纖維、背板)。

組件層壓

將敷設好的電池放入層壓機內,通過抽真空將組件內的空氣抽出,然後加熱使EVA熔化將電池、玻璃和背板粘接在一起;最後冷卻取出組件。層壓工藝是組件生產的關鍵一步,層壓溫度層壓時間根據EVA的性質決定。我們使用快速固化EVA時,層壓循環時間約為25分鐘。固化溫度為150℃。

修邊

層壓時EVA熔化後由於壓力而向外延伸固化形成毛邊,所以層壓完畢應將其切除。

裝框

類似與給玻璃裝一個鏡框;給玻璃組件裝鋁框,增加組件的強度,進一步的密封電池組件,延長電池的使用壽命。框線和玻璃組件的縫隙用矽酮樹脂填充。各框線間用角鍵連線。

焊接接線盒

在組件背面引線處焊接一個盒子,以利於電池與其他設備或電池間的連線。

高壓測試

高壓測試是指在組件框線和電極引線間施加一定的電壓,測試組件的耐壓性和絕緣強度,以保證組件在惡劣的自然條件(雷擊等)下不被損壞。

組件測試

測試的目的是對電池的輸出功率進行標定,測試其輸出特性,確定組件的質量等級。主要就是模擬太陽光的測試Standard test condition(STC),一般一塊電池板所需的測試時間在7-8秒左右。

發展市場

發展簡介

當天然氣、煤炭、石油等不可再生能源頻頻告急,能源問題日益成為制約國際社會經濟發展的瓶頸時,越來越多的國家開始實行“陽光計畫”,開發太陽能資源,尋求經濟發展的新動力。歐洲一些高水平的核研究機構也開始轉向可再生能源。在國際光伏市場巨大潛力的推動下,各國的太陽能電池製造業爭相投入巨資,擴大生產,以爭一席之地。

全球太陽能電池產業1994-2004年10年裡增長了17倍,太陽能電池生產主要分布在日本、歐洲和美國。2006年全球太陽能電池安裝規模已達1744MW,較2005年成長19%,整個市場產值已正式突破100億美元大關。2007年全球太陽能電池產量達到3436MW,較2006年增長了56%。

中國對太陽能電池的研究起步於1958年,20世紀80年代末期,國內先後引進了多條太陽能電池生產線,使中國太陽能電池生產能力由原來的3個小廠的幾百kW一下子提升到4個廠的4.5MW,這種產能一直持續到2002年,產量則只有2MW左右。2002年後,歐洲市場特別是德國市場的急劇放大和無錫尚德太陽能電力有限公司的橫空出世及超常規發展給中國光伏產業帶來了前所未有的發展機遇和示範效應。

中國已成為全球主要的太陽能電池生產國。2007年全國太陽能電池產量達到1188MW,同比增長293%。中國已經成功超越歐洲、日本為世界太陽能電池生產第一大國。在產業布局上,中國太陽能電池產業已經形成了一定的集聚態勢。在長三角、環渤海、珠三角、中西部地區,已經形成了各具特色的太陽能產業集群。

中國的太陽能電池研究比國外晚了20年,儘管10餘年來國家在這方面逐年加大了投入,但投入仍然不夠,與國外差距還是很大。政府應加強政策引導和政策激勵,儘快解決太陽能發電上網與合理定價等問題。同時可借鑑國外的成功經驗,在公共設施、政府辦公樓等領域強制推廣使用太陽能,充分發揮政府的示範作用,推動國內市場儘快起步和良性發展。

綠色環保節能太陽能 綠色環保節能太陽能

太陽能光伏發電在不遠的將來會占據世界能源消費的重要席位,不但要替代部分常規能源,而且將成為世界能源供應的主體。預計到2030年,可再生能源在總能源結構中將占到30%以上,而太陽能光伏發電在世界總電力供應中的占比也將達到10%以上;到2040年,可再生能源將占總能耗的50%以上,太陽能光伏發電將占總電力的20%以上;到21世紀末,可再生能源在能源結構中將占到80%以上,太陽能發電將占到60%以上。這些數字足以顯示出太陽能光伏產業的發展前景及其在能源領域重要的戰略地位。由此可以看出,太陽能電池市場前景廣闊。

離網發電系統

太陽能離網發電系統包括1、太陽能控制器(光伏控制器和風光互補控制器)對所發的電能進行調節和控制,一方面把調整後的能量送往直流負載或交流負載,另一方面把多餘的能量送往蓄電池組儲存,當所發的電不能滿足負載需要時,太陽能控制器又把蓄電池的電能送往負載。蓄電池充滿電後,控制器要控制蓄電池不被過充。當蓄電池所儲存的電能放完時,太陽能控制器要控制蓄電池不被過放電,保護蓄電池。控制器的性能不好時,對蓄電池的使用壽命影響很大,並最終影響系統的可靠性。2、太陽能蓄電池組的任務是貯能,以便在夜間或陰雨天保證負載用電。3、太陽能逆變器[2]負責把直流電轉換為交流電,供交流負荷使用。太陽能逆變器是光伏風力發電系統的核心部件。由於使用地區相對落後、偏僻,維護困難,為了提高光伏風力發電系統的整體性能,保證電站的長期穩定運行,對逆變器的可靠性提出了很高的要求。另外由於新能源發電成本較高,太陽能逆變器的高效運行也顯得非常重要。

太陽能離網發電系統主要產品分類 A、光伏組件 B、風機 C、控制器 D、蓄電池組E、逆變器 F、風力/光伏發電控制與逆變器一體化電源。

併網發電系統

可再生能源併網發電系統是將光伏陣列、風力機以及燃料電池等產生的可再生能源不經過蓄電池儲能,通過併網逆變器直接反向饋入電網的發電系統。

因為直接將電能輸入電網,免除配置蓄電池,省掉了蓄電池儲能和釋放的過程,可以充分利用可再生能源所發出的電力,減小能量損耗,降低系統成本。併網發電系統能夠並行使用市電和可再生能源作為本地交流負載的電源,降低整個系統的負載缺電率。同時,可再生能源併網系統可以對公用電網起到調峰作用。併網發電系統是太陽能風力發電的發展方向,代表了21世紀最具吸引力的能源利用技術。

太陽能併網發電系統主要產品分類 A、光伏併網逆變器B、小型風力機併網逆變器 C、大型風機變流器 (雙饋變流器,全功率變流器) 。

新型電池

染料敏化太陽電池

染料感光太陽電池(Dye-sensitized solar cell,DSSC)是新被開發出來的一種嶄新的太陽電池。DSsC也被稱為Grätzel cell,因為是在1991年由Grätzel等人發表的構造和一般光伏特電池不同,其基板通常是玻璃,也可以是透明且可彎曲的聚合箔(polymer foil),玻璃上有一層透明導電的氧化物(transparent conducting oxide,TCO)通常是使用FTO(SnO2:F),然後長有一層約10微米厚的porous納米尺寸的 TiO2粒子(約10~20 nm)形成一nano-porous薄膜。然後塗上一層染料附著於TiO2的粒子上。通常染料是採用ruthenium polypyridyl complex。上層的電極除了也是使用玻璃和TCO外,也鍍上一層鉑當電解質反應的催化劑,二層電極間,則注入填滿含有iodide/triiodide電解質。雖然DSC電池的最高轉換效率約在12%左右(理論最高29﹪),但是製造過程簡單,所以一般認將大幅降低生產成本,也同時降低每度電的電費。

串疊型電池

串疊型電池(Tandem Cell)屬於一種運用新穎原件結構的電池,藉由設計多層不同能隙的太陽能電池來達到吸收效率最佳化的結構設計。由理論計算可知,如果在結構中放入越多層數的電池,將可把電池效率逐步提升,甚至可達到50%的轉換效率。

光纖太陽能電池

光纖太陽能電池(Fiber-based solar cell 或者Fiber cell)由美國Wake Forest University納米與分子研究中心首先提出,並在美國《 Applied Physics Letters》(doi:10.1063/1.3263947)和《 Physical Review B》(DOI: 10.1103/PhysRevB.84.085206,2011)上報導了這種電池的最新成果。它利用特有的光纖結構,並結合有機吸收層,達到了超出平面電池的吸收效率,並已被證明能夠很好的套用到超光強的聚光型電站中。

透明電池

據美國物理學家組織網報導,美國能源部布魯克海文國家實驗室和洛斯阿拉莫斯國家實驗室的科學家們研發出了一種可吸收光線並將其大面積轉化成為電能的新型透明薄膜。這種薄膜以半導體和富勒烯為原料,具有微蜂窩結構。相關研究發表在最新一期的《材料化學》雜誌上,論文稱該技術可被用於開發透明的太陽能電池板,甚至還可以用這種材料製成可以發電的窗戶。 這種材料由摻雜碳富勒烯的半導體聚合物組成。在嚴格控制的條件下,該材料可通過自組裝方式由一個微米尺度的六邊形結構展開為一個數毫米大小布滿微蜂窩結構的平面。

負責該研究的美國布魯克海文國家實驗室多功能納米材料中心的物理化學家米爾恰·卡特萊特說,雖然這種蜂窩狀薄膜的製作採用了與傳統高分子材料(如聚苯乙烯)類似的工藝,但以半導體和富勒烯為原料,並使其能夠吸收光線產生電荷這還是第一次。

據介紹,該材料之所以還能在外觀上保持透明是因為聚合物鏈只與六邊形的邊緣緊密相連,而其餘部分的結構則較為簡單,以連線點為中心向外越來越薄。這種結構具有連線作用,同時具有較強的吸收光線的能力,也有利於傳導電流,而其他部分相對較薄也更為透明,主要起透光的作用。

研究人員通過一種十分獨特的方式來編織這種蜂窩狀薄膜:首先在包含聚合物以及富勒烯在內的溶液中加入一層極薄的微米尺度的小水滴。這些水滴在接觸到聚合物溶液後就會自組裝成大型陣列,而當溶劑完全蒸發後,就會形成一塊大面積的六邊形蜂窩狀平面。此外,研究人員發現聚合物的形成與溶劑的蒸發速度緊密相關,這相應地又會決定最終材料的電荷傳輸速度。溶劑蒸發得越慢,聚合物的結構就越緊湊,電荷傳輸速度也就越快。

“這是一種成本低廉而效益顯著的製備方法,很有潛力從實驗室套用到大規模商業化生產之中。”卡特萊特說。

通過掃描探針式電子顯微鏡和螢光共焦掃描顯微鏡,研究人員證實了新材料蜂窩結構的均勻性,並對其不同部位(邊緣、中心、節點)的光學性質和電荷產生情況進行了測試。

卡特萊特表示:“我們的工作讓人們對蜂窩結構的光學特徵有了更深的了解。下一步我們計畫將這種材料套用於透明且可捲曲的柔性太陽能電池以及其他設備的製造當中,以推動這種蜂窩薄膜儘快進入實用階段。”

金屬氧化物太陽能電池

美國史丹福大學研究人員最新研究發現,加熱鐵鏽之類金屬氧化物,可以提升特定太陽能電池的轉換效率和能量儲存效率。

史丹福大學研究人員在不同溫度條件下測試三種金屬氧化物,分別是釩酸鉍、氧化鈦和氧化鐵,所獲結果超出預想:溫度升高時,電子通過這三種氧化物的速率加快,所產生的氫氣和氧氣量相應增加。而以陽光加熱金屬氧化物,所產生的氫氣可以增加一倍。

綜合利用熱量和陽光,以金屬氧化物為轉換材料,藉助對水分子的分解,高效儲存太陽取之不盡的能量,可以按需供應能源。

美國雙反

美國商務部提高了對中國輸美太陽能電池產品的反補貼關稅,但維持或削減了對此類產品的反傾銷關稅。此案加劇了中美之間的貿易緊張。

此案也使美國的太陽能行業出現分歧(一個陣營是在美國擁有大規模製造業務的企業,另一個陣營是依賴中國輸美產品的企業),並引發了北京方面的報復行動。

美國商務部周三表示,將對進口的太陽能電池產品徵收14.78%至15.97%(取決於具體製造企業)的反補貼關稅,顯著高於其在3月份宣布的 2.9%至4.73%的初裁關稅。但美國商務部同時決定,維持或削減其在5月份宣布的反傾銷關稅(針對美方認為定價低得不公平的進口產品)。

購買中國輸美太陽能電池的企業的聯盟——平價太陽能運動(Campaign for Affordable Solar Energy)的主席基格·沙(Jigar Shah)表示:“我們高興地看到商務部沒有在初裁的基礎上大幅提高關稅。”

但此案(美國在可再生能源行業展開的首次反傾銷行動)仍是美中之間的一個緊張源。中國已宣布對從美國進口的太陽能電池原料多晶矽啟動反傾銷調查,此舉明顯意在報復。

此案還突顯了美國對來自中國和越南等所謂“非市場經濟體”的同一類進口產品徵收反補貼和反傾銷關稅的有爭議做法;在暫停這種做法23年後,喬 治·W·布希(George W. Bush)政府在2007年重啟了這項政策。美國一家聯邦法院曾宣告這種做法是不合法的,但事後美國國會通過了相關立法,推翻了法院的裁決。

9月份,就在美國總統巴拉克·歐巴馬(Barack Obama)宣布在世貿組織(WTO)提起針對中國的訴訟、指控中國向汽車零部件產業提供非法出口補貼的同一天,中國在世貿組織提起了針對美國上述新法的訴訟。

由總部位於德國的SolarWorld公司(其美國業務帶頭敦促開徵上述進口關稅)領頭的一群企業,已呼籲歐盟對中國太陽能產品開徵類似關稅。但歐 盟案的前景在8月出現變數,因為德國總理安格拉·默克爾(Angela Merkel)在當月訪華時表示,她更希望通過談判達成解決方案 。

電池材料

太陽電池的材料種類非常的多,可以有非晶矽、多晶矽、CdTe、CuInxGa(1-x)Se2等半導體的、或三五族、二六族的元素鏈結的材料,簡單地說,凡光照後,而產生電能的,就是太陽電池尋找的材料。

電動車太陽充電站主要是透過不同的製程和方法,測試對光的反應和吸收,做到能隙結合寬廣,讓短波長或長波長都可以全盤吸收的革命性突破,來降低材料的成本。

太陽電池型式上也分有,基板式或是薄膜式,基板在製程上可分拉單晶式的、或相溶後冷卻結成多晶的塊材,薄膜式是可和建築物有較佳結合,如有曲度或可撓式、摺疊型,材料上較常用非晶矽。另外還有一種有機或納米材料研發,仍屬於前瞻研發。因此,也就是聽到不同世代的太陽電池:第一代基板矽晶(Silicon Based)、第二代為薄膜(Thin Film)、第三代新觀念研發(New Concept)、第四代複合薄膜材料。

第一代太陽能電池發展最長久技術也最成熟。可分為,單晶矽(Monocrystalline Silicon)、多晶矽(Polycrystalline Silicon)、非晶矽(Amorphous Silicon)。以套用來說是以前兩者單晶矽與多晶矽為大宗。

第二代薄膜太陽能電池以薄膜製程來製造電池。種類可分為碲化鎘(Cadmium Telluride CdTe)、銅銦硒化物(Copper Indium Selenide CIS)、銅銦鎵硒化物(Copper Indium Gallium Selenide CIGS)、砷化鎵(Gallium arsenide GaAs)

第三代電池與前代電池最大的不同是製程中導入有機物和納米科技。種類有光化學太陽能電池、染料光敏化太陽能電池、高分子太陽能電池、納米結晶太陽能電池。

第四代則是針對電池吸收光的薄膜做出多層結構。

某種電池製造技術。並非僅能製造一種類型的電池,例如在多晶矽製程,既可製造出矽晶版類型,也可以製造薄膜類型。

聚合物太陽能電池材料

聚合物太陽能電池材料常見的有聚乙烯基咔唑(PVK)、聚乙炔(PA)、聚對苯撐乙烯(PPV)以及聚噻吩(PTh)。

(1)聚乙烯基咔唑(PVK)

具有光電活性的聚合物中,發現最早、研究得最為充分的是PVK,它的側基上帶有大的電子共軛體系,可吸收紫外光。激發出的電子可以通過相鄰咔唑環形成的電荷複合物自由遷移。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)等對其進行摻雜。

(2)聚乙炔(PA)

PA是迄今為止實測電導率最高的電子聚合物。它的聚合方法主要有白川英樹法、Namm方法、Durham方法和稀土催化體系。白川英樹採用高濃度的Ziegler-Natta催化劑,即TiOBu4-A1Et3,由氣相乙炔出發,直接製備出自支撐的具有金屬光澤的聚乙炔膜;在取向了的液晶基質上成膜,PA膜也高度取向。Narrman方法的特點是對聚合催化劑“高溫陳化”,因而聚合物力學性質和穩定性有明顯改善。

(3)聚對苯撐乙烯(PPV)

近年來在光電領域套用最廣泛的、製得器件效率最高的是PPV類材料。由於是共軛結構,分子鏈鋼性很強,往往難熔難溶,不易加工。獲得可溶性PPV的方法是在苯環上至少引入一個長鏈烷烴。烷烴碳個數至少大於6。研究還發現取代基有支鏈時比相同碳數的直鏈烷烴溶解度更好。具有代表性的材料是MEH-PPV(MEH; 2-methoxy-5(2’-ethylhexyloxy)),它具有較好的溶解性,使用方便;禁頻寬度為2.1eV,較為適中。

(4)聚噻吩(PT)衍生物

在所有的共軛聚合物中,聚噻吩是一種非常優良的光伏材料,因為其具有合適的帶隙和較高的空穴遷移率,所以成為了來有機光伏材料的研究熱點之一。其中,以區域規整的聚(3-己基)噻吩(P3HT)和可溶性C60衍生物PCBM的共混膜做為活性層的光伏器件在熱處理的情況下能量轉換效率最高,能量轉換效率已經達到了5%左右。因此,設計併合成出新型的聚噻吩衍生物,研究聚噻吩結構和性質之間的關係,通過結構修飾來改善聚噻吩衍生物的性質引起了廣大科研人員的關注。從光伏材料的角度來考慮,這些聚噻吩衍生物應該具有最基本的性質:好的溶解性和成膜性,較寬的吸收光譜(尤其在可見光區)和較高載流子遷移率 。

電池種類

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