光伏發(fā)電是一種清潔能源,隨著能源危機(jī)日益嚴(yán)重以及污染的持續(xù)加重,光伏發(fā)電的發(fā)展將大量普及,以緩解能源危機(jī)以及污染帶來的能源及環(huán)境問題。
光伏發(fā)電是基于光伏效應(yīng)的一種發(fā)電方式,利用光伏效應(yīng)原理制成了一種能把太陽光能轉(zhuǎn)化成電能的半導(dǎo)體器件就是太陽能電池。制造太陽能電池的材料主要有硅(Si)、硫化鎘(CdS)和砷化鎵(GaAs)等。目前來看,太陽能電池主要由單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池、非晶硅太陽能電池、多元化合物太陽能電池和納米晶體化學(xué)太陽能電池。
單晶硅太陽能電池的結(jié)構(gòu)主要包括正面梳狀電極、減反射膜、N型層、PN結(jié)、P型層、背面電極等。單晶硅太陽能電池廣泛用于空間和地面,這種太陽能電池以高純的單晶硅棒為原料。將單晶硅棒切成片,經(jīng)過一系列的半導(dǎo)體工藝形成PN結(jié)。然后采用絲網(wǎng)印刷法做成柵線,經(jīng)過燒結(jié)工藝制成背電極,單晶硅太陽能電池的單體片就制成了。單體片即可按所需要的規(guī)格用串聯(lián)和并聯(lián)的方法組裝成太陽能電池組件(太陽能電池板),構(gòu)成一定的輸出電壓和電流。最后用框架進(jìn)行封裝,將太陽能電池組件組成各種大小不同的太陽能電池陣列。目前單晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率為15%左右,實(shí)驗(yàn)室成果也有20%以上的。
多晶硅薄膜太陽電池是將多晶硅薄膜生長在低成本的襯底材料上,用相對(duì)薄的晶體硅層 作為太陽電池的激活層,不僅保持了晶體硅太陽電池的高性能和穩(wěn)定性,而且材料的用量大幅度下降,明顯地降低了電池成本。多晶硅薄膜太陽電池的工作原理與其它太陽電池一樣,是基于太陽光與半導(dǎo)體材料的作用而形成光伏效應(yīng)。
太陽能電池使用的多晶硅材料多半是含有大量單晶顆粒的集合體,或用廢次單晶硅料和冶金級(jí)硅材料熔化,然后注入石墨鑄模中,即得多晶硅錠。這種硅錠鑄成立方體,以便切片加工成方形電池片。多晶硅太陽能電池板的制作工藝與單晶硅太陽能電池板差不多,其光電轉(zhuǎn)換效率約12%左右,稍低于單晶硅太陽能電池,但是材料制造簡便,節(jié)約電耗,總的生產(chǎn)成本較低,因此得到大量發(fā)展。
非晶硅太陽能電池由透明氧化物薄膜(TCO)層、非晶硅薄膜P-I-N層(I層為本征吸收層)、背電極金屬薄膜層組成,基底可以是鋁合金、不銹鋼、特種塑料等。它與單晶硅和多晶硅太陽能電池的制作方法完全不同,硅材料消耗很少,電耗更低。制造方法有多種,最常見的是用輝光放電法得到N型或P型的非晶硅膜。襯底材料一般用玻璃或不銹鋼板。非晶硅太陽能電池很薄,可以制成疊層式,或采用集成電路的方法制造,可一次制作多個(gè)串聯(lián)電池,以獲得較高的電壓。目前非晶硅太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率偏低,國際先進(jìn)水平為10%左右。
硫化鎘、碲化鎘多晶薄膜電池的效率較非晶硅薄膜太陽能電池效率高,成本較單晶硅電池低,在廣泛深入的應(yīng)用研究基礎(chǔ)上,國際上許多國家的碲化鎘薄膜太陽電池已由實(shí)驗(yàn)室研究階段開始走向規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。
1、硫化鎘太陽能電池:雖然光電效率已提高到9%,但是仍無法與多晶硅太陽能電池競爭。與非晶硅薄膜電池相比,制造工藝比較簡單。
2、砷化鎵太陽能電池:砷化鎵與太陽光譜的匹配較適合,且能耐高溫,在250℃的條件下,光電轉(zhuǎn)換性能仍很良好,其最高光電轉(zhuǎn)換效率約30%,特別適合做高溫聚光太陽能電池。由于鎵比較稀缺,砷有毒,制造成本高,此種太陽能電池的發(fā)展受到影響。
3、銅銦硒太陽能電池:以銅、銦、硒三元化合物半導(dǎo)體為基本材料制成的太陽能電池。它是一種多晶薄膜結(jié)構(gòu),材料消耗少,成本低,性能穩(wěn)定,光電轉(zhuǎn)換效率在10%以上。因此是一種可與非晶硅薄膜太陽能電池相競爭的新型太陽能電池。
染料敏化納米晶體太陽能電池(DSSCs)主要包括鍍有透明導(dǎo)電膜的玻璃基底,染料敏化的半導(dǎo)體材料、對(duì)電極以及電解質(zhì)等幾部分。其陽極為染料敏化半導(dǎo)體薄膜(TiO2膜),陰極為鍍鉑的導(dǎo)電玻璃。納米晶體TiO2太陽能電池的優(yōu)點(diǎn)在于它廉價(jià)的成本和簡單的工藝及穩(wěn)定的性能。其光電效率穩(wěn)定在10%以上,制作成本僅為硅太陽電池的1/5~1/10,.壽命能達(dá)到20年以上。
疊層電池使得電池的性能可以得到疊加。太陽能電池的薄層化使其可以做得更薄,因此器件的疊層也變得更為現(xiàn)實(shí)可行。疊層電池可以是同種器件的疊層,也可以是異類器件的疊層。每一個(gè)疊層單元,由于感光部分的光響應(yīng)性能不同,可分別吸收利用不同波段的太陽光。經(jīng)過疊層,太陽光可以在全波段上都受到較好的吸收;同時(shí)由于器件之間的耦合效應(yīng),整體的光能轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到更高水平。
柔性太陽能電池板采用高晶硅材料制成,并用高強(qiáng)度、透光性能強(qiáng)的太陽能專用鋼化玻璃以及高性能、耐紫外線輻射的專用密封材料層壓制而成,有能抗冰雪、抗震、防壓等多種優(yōu)點(diǎn),即使在溫度劇變的惡劣條件下也能正常使用,。所以柔性電池能用在平板類太陽能電池難以勝任的許多領(lǐng)域,例如太陽能汽車、飛機(jī)、飛艇、建筑、紡織品、帳篷、服裝、頭盔,玩具等特殊曲面上。
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