太阳能光伏电池板

2024-06-14

太阳能光伏电池板（精选9篇）

太阳能光伏电池板第1篇

本发明是一种对称瓦棱凹凸镜太阳能电池板组装的光伏电池。它利用瓦楞状聚光凹凸镜将入射的自然太阳光聚集成数条横线光, 分别投射到条状矩形线框内的太阳电池单元表面进行光-电转换。聚集于一线的能量超过的自然光源的10倍, 受光后的硅晶片温度相应升高, PN结的导电率随之增加, 光伏电池的整体电子输出量成倍增加。随着基座自动调整受光面角度, 受光面始终与太阳电池单元不遮挡光线的进入, 较现有整版硅晶片上导电网对光线的遮挡有了根本的改善, 同时框架式硅晶片较现有的整版晶硅片在硅晶片的使用量上减少了80%。太阳能电池板的制造成本可大幅降低, 为太阳能光伏电池的实际应用开创出了一条新路。

太阳能光伏电池板第2篇

太阳能电池板原理-太阳能电池板的安装

太阳能电池板原理

太阳能发电系统由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池（组）组成。如输出电源为交流220V或110V，还需要配置逆变器。

各部分的作用为：

（一）太阳能电池板：太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能力转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。

（二）太阳能控制器：太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。其他附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项；

（三）蓄电池：一般为铅酸电池，小微型系统中，也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来。

（四）逆变器：太阳能的直接输出一般都是12VDC（交流）、24VDC、48VDC。为能向220VAC（交流）的电器提供电能，需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能，因此需要使用DC-AC逆变器。

太阳能电池板的安装

1、电池测试：

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。

2、正面焊接：

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。焊带的长度约为电池边长的2倍。

3、背面串接：

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。

4、层压敷设：

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。

5、组件层压：

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。

6、修边：

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。

7、装框：

类似与给玻璃装一个镜框；

8、焊接接线盒：

在组件背面引线处焊接一个盒子。

9、高压测试：

测试组件的耐压性和绝缘强度。

10、组件测试：

太阳能光伏电池板第3篇

1 蓄电池设计方法

设计太阳能蓄电池的思想是太阳的照度低于平均值时, 保证负载能够正常工作。假设蓄电池开始工作前是充满电的, 光照度小于平均值时, 太阳电池产生的电能这时不能完全填补负载实时从蓄电池中消耗的能量, 这样蓄电池就会一直处于为未充满状态。如果这样的状态一直维持, 会导致蓄电池的蓄电电荷持续下降。为了避免对蓄电池造成损坏, 蓄电池的放电过程应该有时间的限制, 避开蓄电池的危险值。为了评估这种太阳光照较低的情况, 进行蓄电池的设计时, 应该引入一个重要参数:自给天数, 即蓄电池在没有任何补给能源情况下, 负载在此蓄电池的供给下能够正常工作的天数。根据此参数使设计者能够选择所需蓄电池容量的大小。

自给天数的多少与两个因素有较大的关系:负载要求电源的程度;安装地点的光伏系统气象条件, 即可能的最多阴雨天数。对电源要求不太严格的光伏系统, 设计时通常取3~5d自给天数。对于电源要求要求严格的负载系统, 设计中常取7~14d自给天数。

蓄电池的设计主要指蓄电池容量的计算, 以及蓄电池组是否采用串并联。下面给出蓄电池容量计算的基本方法。

基本公式:

下面蓄电池串并联情况。负载的标称电压必须与蓄电池的标称电压配合, 为了满足需求, 要求进行串并联的选择, 如串联蓄电池个数的计算如下:

为了说明公式的应用, 使用小型交流光伏系统为范例。设光伏系统负载的耗电量10k W·h/d, 如果该系统中, 选择逆变器效率为90%, 并且输入电压设为24V, 那么可得所需的直流负载需求为 (10000W·h0.924V=462.96A·h) , 那么每天需要462.96A·h/d。假如使用者根据天气情况可以灵活调整用电。选择自给天数5d, 使用电池为深循环, 放电深度设为80%, 那么

蓄电池容量=5d×462.96A·h/0.8=2893.51A·h

单体蓄电池选用3V/ (400A·h) , 需要串联的电池个数为:

串联蓄电池数=24V/3V=8 (个)

选择并联的蓄电池个数为:

并联蓄电池数=2893.51/400=7.23

下面例子纯直流系统:假定某乡村小屋为光伏供电的系统。并前小屋只在周末使用, 这样就可以使用浅循环蓄电池降低其成本。设小屋负载为90A·h/d, 为24V的系统电压。选择2d的自给天数, 蓄电池最大放电深度可以达到50%, 那么

蓄电池容量=2d× (90A·h/d) /0.5=360A·h

如果选用蓄电池12V/100A·h, 那么需蓄电池个数为2串联4并联=8个。

2 蓄电池基本公式的设计修正

上面的分析是对蓄电池容量基本的估算方法, 实际使用时, 会有很多参数会对蓄电池的容量及寿命产生影响。为了获得的准确的蓄电池容量的设计, 基本方程必须进行修正。

蓄电池的容量并不是定值, 两个重要因素与其的容量有很大的影响:蓄电池的放电率及其环境温度。

1) 首先考虑放电率对其容量的影响。放电率的改变时蓄电池的容量也会改变, 当放电率的降低时, 蓄电池的容量就会相应增大。这样会对蓄电池容量的设计产生较大影响。蓄电池容量设计时应选择恰当的放电率。通常, 生产厂家一般提供蓄电池容量为10h放电率下容量。但系统中, 蓄电池储存的能量主要供给的是负载需要自给天数, 放电率通常较慢, 在设计时需考虑平均放电率。平均放电率的公式如下:

上式对于单个负载的光电系统满足;对于有多个负载的光电系统, 负载使用加权平均时间, 计算方法如下:

根据上面两式可以计算不同放电速率下的蓄电池容量, 可以对蓄电池的容量加以修正。

2) 分析温度对蓄电池容量造成的影响。蓄电池容量跟随温度的变化而改变, 当温度下降低时, 其容量会下降。一般铅酸蓄电池在25℃时是标定的。0℃时会降为额定容量的90%, 在-20℃的时候, 下降到额定容量的80%左右, 所以必须考虑环境温度对容量的影响。

生产商会提供蓄电池相关的温度-容量修正曲线。此曲线上就可查取到对应温度的修正系数, 可以修正初步计算结果。

3) 完整的蓄电池容量设计计算。考虑到以上所有的计算修正因子, 可以得到如下蓄电池的最终计算式。

1) 放电深度的最大允许值。一般浅循环的最大放电深度一般为50%, 深循环的一般为80%。如果考虑低温防冻的问题, 就必须修正。设计时适当减小此值, 以扩大其的容量, 并延长使用寿命。这样不仅可以提高蓄电池使用寿命, 同时也减小系统的维护费用, 并对系统初始成本不会有太大的影响, 根据实际情况可进行灵活处理;

2) 温度的修正系数。随着温度的降低, 蓄电池容量会不断减少。温度修正系数的作用就是保证安装的蓄电池容量要大于按照25℃标准情况算出来的容量值, 使得设计的容量能满足用电需求;

3) 指定放电率。指定放电率主要是考虑慢放电率将会从需要更多的容量。如果在没有容量-放电速率的资料, 可粗略的估计, 在慢放电率 (C/100到C/300) 时, 容量要比标准多装30%;

4) 蓄电池组的串并联设计。当计算出蓄电池的容量, 下一步最主要就是选择多少个单体蓄电池, 以及如何进行串并联。

采用两组并联模式, 就可以对该组蓄电池断进行维修, 如果一组蓄电池出现故障, 而另外一组正常蓄电池, 虽然电流有所下降, 但系统还能保持在标称电压正常工作, 总之, 蓄电池组的并联设计需要考虑不同的实际情况, 根据不同的需要进行不同的选择。

3 结论

本设计用电路原理实现对蓄电池的充放电, 同时考虑防过充电、防欠电充以及防反充电等一系列对蓄电池的保护电路。研究的意义在于对蓄电池的保护, 防止蓄电池过充过放, 使蓄电池在正常工作区工作, 延长蓄电池的寿命, 降低蓄电控制系统的成本。控制系统的研究主要是对控制器的研究, 它对蓄电池的放电条件加以规定和控制, 并按照负载的电量需求控制太阳电池组件和蓄电池对负载的电能输出。系统在指标上能够达到预先期望的性能指标要求, 在控制特性方面均能达到要求, 其系统实现方案是切实可行的。

参考文献

[1]王长贵, 王思成.太阳能光伏发电实用技术[M].北京:化学工业出版社, 2005.

[2]沈辉, 曾祖勤.太阳能光伏发电技术[M].北京:化学工业出版社, 2005.

[3]王兆安, 黄俊.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社, 2000.

[4]冯育长.单片机系统设计与实例分析[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2007.

[5]刘和平.单片机程序设计及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2005.

[6]康华光.电子技术基础模拟部分[M].北京:高等教育出版社, 2006.

[7]往常贵.太阳能光伏发电实用技术[M].北京:化学工业出版社, 2005.

[8]王新贤.通用集成电路速查手册[M].济南:山东科技出版社, 2002.

[9]冯垛生.太阳能发电原理与应用[M].北京:人民邮政出版社, 2007.

[10]张兴.太阳能光伏网并网发电技术[M].北京:机械工业出版社, 2011.

太阳能光伏课件第4篇

【教学目标】

知识与技能

1.初步认识太阳的结构，知道太阳是巨大的核能火炉。

2.初步了解太阳是人类资源的宝库。

3. 知道太阳能的利用方式。

过程与方法

1、通过观察学习了解太阳能的特点，理解太阳能属于可再生一次能源。分析化石能源来自太阳能。提高学生分析归纳能力。

2、通过太阳能的利用方式学习，提高学生综合分析问题的能力。

情感、态度、价值观

养成学生开发和利用太阳能的意识，通过光伏产品推广提高创新节能意识。

【教学重点】了解太阳能，结合生产生活实际知道利用太阳能的方式

【教学难点】太阳能利用中的能量转化

【教学准备】课件多媒体

【教学过程】

主要教学过程

教学内容教师活动学生活动

一.情境

导入

【图片展示】

你看，在太阳能汽车上装有密密麻麻像蜂窝一样的装置，平常我们看到的航天器上的类似铁翅膀的装置。

【提出问题】

想知道它们的作用吗?

思考激疑

(设计意图：据新科技和航天技术提出问题让学生讨论，引导学生共同参与，调动学生主动学习的热情和积极性。)

二、合作探究，探究新知：

(一)太阳是巨大的核能火炉

课件展示

1.太阳的结构

2.太阳内部时刻发生核聚变

(二)太阳能是人类的能源宝库

1.化石能源来源于太阳能

2.生物质能、风能、水能来源于太阳能

(三)太阳能的利用

1、光热转化

2、光电转化

3. 太阳能的优点及不足

【自主学习】

请同学们阅读课本并回答以下问题：

1. 太阳的结构是怎样的?

2.太阳为什么是一个巨大的“核能火炉”，是哪一种形式的核能?

3.太阳能是以怎样的方式向外传递的?

4.太阳的“核能火炉”，永无止境的“燃烧”下去吗?

【知识归纳】

1.太阳距地球1.5亿千米，直径大约是地球的110倍，体积是地球的130万倍，质量是地球的33万倍，核心温度高达1 500万摄氏度。太阳表面温度约6 000 ℃，太阳至今已经稳定地 “燃烧”了近50亿年，而且还能继续“燃烧”50亿年。

2.在太阳内部，氢原子核在超高温下发生聚变，释放出巨大的核能。太阳核心每时每刻都在发生氢弹爆炸，太阳就像一个巨大的“核能火炉”

【重点强调】太阳内部时刻发生核聚变

【跟踪练习】

1.下列利用核聚变供能量的是( )

A.核电站B.核潜艇 C.原子弹 D.太阳

2、太阳内部发生的是，太阳能电池是把能转化为能

3、大部分太阳能以和的形式向四周辐射开去。

【知识引桥】

太阳向外辐射的能量中，只有约二十亿分之一传递到地球。太阳光已经照耀我们的地球近50亿年，地球在这近50亿年中积累的太阳能是我们今天所用大部分能量的源泉。

【自主学习】化石能源的形成

请同学们结合图片和课本，完成以下问题：

化石能源是怎么形成的?

【课件展示】

石油、天然气的形成煤的形成

【知识归纳】

远古时期的植物通过光合作用将太阳能转化为生物体内的化学能。

经过地壳的不断运动，死后的动植物躯体埋在地下和海底。

经过几百万年的复杂变化，变成了煤、石油、天然气。

【想想议议】

根据下图所示，说明太阳能辐射到地球的能量的利用，转化和守恒的情况。看看哪位同学说的`好。

[ 分析 ]地球上不同地方吸收太阳的热能量不均匀，空气的冷暖就不一样，于是，暖空气膨胀变轻后上升;周围冷空气过来补充，这样冷暖空气便产生流动，形成了风。地球表面的一部分水吸收太阳的能量经过蒸发形成水蒸气，暖湿气流从地面升起，因绝热达到过饱和而凝结成云，遇到冷空气就形成雨。万物生长靠太阳，植物通过光合作用从太阳获取能量，以化学能的形式存储在植物体内，人类和动物从植物或其他动物为食物，获取生物质能以维持生命。所以说地球上的风能、水能、生物质能等都是来源于太阳能。

[归纳总结] 太阳是人类能源的宝库

1.化石能源来源于太阳能

2.风能、水能来源于太阳能

3.生物质能来源于太阳能

【跟踪练习】

1.下列关于能源、能量的说法正确的是

A.化石能源是可再生能源

B.太阳能不是清洁能源

C.核能只能通过重核裂变获取

D.化石能源实际上是来源于上亿年前太阳上的核能

2.今天我们开采化石燃料，实际上是在开采上亿年前地球接收的。

【提出问题】观察太阳能热水器集热管，玻璃管内表面为什么涂成黑色的?

【探究实验汇报】自制太阳集热器

观察分析用哪种纸包着的瓶中水温度高?

将质量、温度相同的水分别倒入两个相同瓶中，用白纸和黑纸分别将瓶包起来，然后将瓶子放在太阳光下，经一小时后，观察温度计的变化。

(说明：此实验是让学生课前完成的。)

【问题导学、自主学习】

人类除了间接利用存储在化石燃料中的太阳能外，还设法直接利用太阳能。请同学们自学太阳能的利用，回答人类直接利用太阳能的两种方式是什么?利用太阳能的优点和缺点是什么?

1、利用太阳能加热物体(光热转化)

用集热器收集阳光中的能量来加热水等物质。

实现了把太阳能转化为内能。

2、利用太阳能电把将太阳能转变为电能(光电转化)

太阳能电池实现了将太阳能转变为电能;

【归纳总结】

人类利用太阳能的实质，是将太阳能转化为其他

形式的能。

【畅所欲言】太阳能有哪些优缺点?

【总结】

太阳能的优点：

(1)能源量大：仅一小时到达地球表面的太阳能就有6.1×1020焦，比目前全世界一年能源生产的总量还多;

(2)可持续性强：供应时间长，是一种取之不尽、用之不竭的永久性能源;

(3)能源易获取：分布广阔，获取方便;

(4)安全性：安全清洁、无污染，不排放CO2

太阳能的不足：能源分散、受自然条件限制，不稳定、转化效率低、成本较高。

【跟踪练习】

许多城市都在推广太阳能，城市交通指示灯及路灯照明系统已大量使用太阳能。白天，太阳能转化为电能，除正常使用外，将多余的能量储存在蓄电池内，夜晚供交通指示灯及照明灯发光。

请完成下面的方框图，反映这个过程中能量发生

转化的情况。

学生自学展示：

1.太阳的结构：由太阳大气、对流层、辐射层、太阳核心。

2.太阳能的产生：氢原子核在超高温下发生聚变，释放出巨大的核能。

3.太阳能的传递：大部分太阳能以热和光的形式向四周辐射。

4.太阳“寿命”：至今稳定地“燃烧”近50亿年，而且还能继续“燃烧”50亿年。

(设计意图：通过自学使学生大致了解太阳的结构，明确太阳的能量来源内部时刻发生的核聚变，培养学生自学能力。)

思考回答

1.D

2. 核聚变太阳能电

3. 热光

学生明确：

人类的日常生活，也无法离开阳光。

观看图片，认识

化石能源的形成

自主学习、回答问题

学生尝试回答

(设计意图：用丰富、科学、生动的图片资料，进一步激发学生主动参与、自主学习的兴趣，培养学生热爱自然、珍惜能源的意识。)

答案：

1.D

2.太阳能

学生汇报自制太阳集热器实验结论

学生分析实验数据：用黑纸包着的瓶中空气温度高。

得出结论：黑色物体更容易吸收太阳光的能量。

自主学习、回答展示：

观看图片，认识

光热转化把太阳能转化为内能。

观看图片，认识

光电转化实质：太阳能转变为电能

(设计意图：学生通过自主学习解决问题，提升对知识的认识，同时锻炼运用知识解决问题能力。)

交流讨论太阳能的优点。

学生交流讨论太阳能的不足：

学以致用：思考讨论分析解答

化学能、电能

(设计意图：借助课件将学生感兴趣的内容呈现出来，培养学生关注科学、关心社会发展的意识。学生通过思考解决问题，提升对知识的梳理，同时锻炼运用知识解决问题能力。)

三、课堂

小结回顾本节课的学习内容

本节课你有哪些收获?还有哪些疑惑?学生讨论梳理知识要点。

四、布置作业

1.动手动脑学物理1.3.4

2.完成176页想想做做课后完成

【板书设计】

§21.3 太阳能

1.太阳是巨大的核能火炉，每时每刻发生核聚变。

2.太阳是能源宝库。化石能源来自太阳能。

3.太阳能的利用。光电转化，光热转化。

【教学反思】

一、案例的“亮点”

1、这节课的重点是了解太阳能的特点，知道太阳能应用方式。我在教学设计上突出学生较熟悉太阳能集热器吸热设计讨论，和水循环的过程理解分析。上完这节课使学生对太阳能热水器有更新更准的认识。光电转化的光伏产品的介绍及其前景展示，使学生增强科技可使生活更美好的现实意义。提高学生的环保节能意识。训练习题尽可能联系学生身边的例子，并以图片呈现，增加学生的分析直观性。

2、加强中考考点对应训练，及时巩固提高。

3.突出学生的自学与展示，讲练结合，及时巩固知识。

二、案例的“不足”

1.教材设计一个探究实验《想想做做》没有在课堂上完成。而是在课前完成。

太阳能光伏电池板第5篇

近年来,光伏太阳能电池产业得到了迅猛的发展,产业规模和应用范围不断扩大,给人们的生产和生活带来了极大的便利。对太阳能的直接利用是人们在能源开发道路上迈出的一大步,地球上几乎所有的能源最终都来源于太阳能,所以从理论上来讲,直接将太阳能转化为人们所需要的能源是最高效、最直接的利用途径[1]。然而由于对太阳能开发利用的时间较晚,在技术和工艺上尚不成熟, 所以在光伏太阳能生产中还存在着资源浪费、污染严重、能量转化效率低下等问题。进一步加强光伏太阳能产业的研究和发展,对促进我国经济的发展和缓解能源匮乏的现状具有重要而深远的意义。

1光伏太阳能电池生产概况

随着光伏太阳能电池产业的规模不断扩大,太阳能电池在人们生产和生活中的应用越来越广泛, 人们对太阳能利用的认识也在不断加深,太阳能以清洁高质能源的概念逐渐深入人心。然而,近期一项调查报告显示: 光伏并非绿色环保产业,太阳能以表面清洁无害的形象欺骗了很多受众,是一项高能耗、高污染的行业[2]。这一调查报告使人们对太阳能电池是否是清洁能源展开了激烈的讨论,太阳能本身就是能够满足人们能源需求的最佳绿色能源,那么利用太阳能开发的太阳能电池为什么就不是绿色产业呢?

针对这一问题,笔者经过研究调查得出以下结论: 开发和利用太阳能是最高效的绿色产业途径, 基于此而发展的光伏产业是太阳能利用的一次成功尝试,但是由于一些技术、市场因素的限制,在太阳能电池生产中会产生一些污染,降低了该产业的绿色性。在光伏产业链的上游,多晶硅的生产会产生含有氯、氟以及重金属等的废水、废气、废渣,这些污染物的不合理排放能够对水、土壤、空气等造成污染。在太阳能的利用中还会存在一些光污染、热污染及太阳能二次污染等,给人们的生活带来一定的伤害。因此,在太阳能电池生产中必须有效减小和控制污染的产生,使太阳能真正成为一种清洁、绿色的能源。

2光伏产业链中存在污染的原因

2.1光伏原料生产环节的污染性

光伏太阳能产业带来的污染主要来自于生产环节,比如多晶硅原料的生产、提纯过程等。目前, 我国常用的多晶硅生产和提纯工艺方法是改良的西门子法,尽管这种方法在很大程度上起到了节能降耗的作用,但是该项工艺仍然存在很多不完善之处。在多晶硅的生产过程中,会产生大量的含有四氯化硅、氟化物的高毒性气体,而在改良的西门子处理工艺中无法实现整个生产流程的闭环运行,故而产生的高毒性气体无法实现有效的回收利用和处理[3]。光伏生产中产生的这些有毒气体排放到环境中,会对大气、水、土壤造成严重的污染,影响人们正常的生产和生活。在光伏产业链的其他环节也存在废弃产物无法回收利用、排放到环境中产生污染的现象,比如太阳能电池片制造中产生的废水中含有大量的腐蚀性物质,还含有氟、氯等有毒离子,若将其排放到周围环境中,会引起较大范围内的环境污染。在光伏产业链上,四氯化硅产物的产生是一个较为严重的问题,而现在的工艺技术很难实现四氯化硅的转化,进而造成了严重的硅浪费。

2. 2光伏产业使用元件带来的污染

在光伏生产中,除了原料生产会造成一定的污染外,光伏产业所使用的其他元件也会带来一定的污染。由于光伏废弃元件很难处理,在一般情况下对于废弃的光伏元件应该回收利用以减小对环境的破坏。然而在这些废弃元件的处理过程中,主要变压器会产生一些废油,很容易在光伏器件处理过程中发生事故,造成废物泄露,污染环境。在太阳能电池组件生产中也会造成一些污染,如: 电池组件的玻璃表面结构容易造成化学光污染,目前常采用透光率很高的防眩光涂层材料散射阳光,通过合理摆放位置避免光污染的方法进行处理[4]。在太阳能电池的使用过程中虽然不会像煤、石油等伴随着大量的化学污染产生,但是在一定程度上也存在一些污染。当太阳能在一定范围内大量利用时,由于太阳能集热板与地面相比有很大的吸热性,会导致局部温度很不均匀,进而对该区域的大气循环造成严重的破坏,产生严重的风化侵蚀作用。此外, 居民楼顶的太阳能集热板反射明显,光线明亮晃眼,会产生一定程度的光污染,给人们正常生活带来困扰。

2. 3光伏企业对“环境责任”的忽视

光伏产业链对环境造成的污染在很大程度上是由于部分企业片面地追求经济效益,忽略了在工业生产中的环境责任,进而造成环境的破坏。光伏产业在人们的眼中向来是清洁、高效的一种能源, 这主要是因为光伏产业的污染主要来自于生产过程中,人们较少接触到,进而忽略了其环境问题。目前在光伏产业生产过程中,企业自身的监管力度不够,责任意识较弱,资源浪费及污染排放等现象较为突出。就我国光伏企业的发展情况来看,对特殊岗位,如危险产物处理岗位等的培训较少、管理不到位,这为光伏产业造成污染埋下了隐患; 企业工作人员的环境保护意识以及清洁生产的意识较为薄弱,忽视了对企业污染物的严格管控和处理。此外,政府关于光伏产业链上一些生产标准及排放标准的不完善以及社会公众的监督力度不足也是造成环境污染的重要因素。

3光伏太阳能电池生产中的污染问题分析

3. 1光伏太阳能电池生产中的资源浪费

在太阳能光伏产业链中存在的一个严重的问题就是资源浪费,在太阳能生产废弃物中仍然存在大量的硅、氯等有用元素。废弃的太阳能电池以及多晶硅光伏组件都有可能对环境造成极大的伤害。目前太阳能发电系统中大多使用铅蓄电池,其中含有大量的铅、锑、硫酸等物质,具有很大的毒性,这些蓄电池的使用寿命通常较短,更换的频率较高, 所以生产成本较高。太阳能生产链上使用的蓄电池及光伏组件的废弃不仅会对环境造成一定的破坏,还造成了资源的浪费,因此对这些组件有必要进行无害化处理和回收利用[5]。光伏太阳能产业链中的硅生产、电池片生产等都要消耗大量的资源和能量,这在一定程度上增加了光伏生产成本,降低了能量转化效率,进而降低了太阳能的清洁性、绿色性。

3. 2光伏产业生产对周边水体、土壤环境造成的污染

在光伏产业生产中会产生大量的废水、废渣, 如果未对其进行有效处理就排放到环境中,很容易造成周围水体、土壤等的污染。首先,在光伏产业链上会产生一些碱性的废水,其中含有氢氧化钠、异丙醇、氨氮、SS等污染成分,会腐蚀管道和建筑物,使植物和动物发生病变等,进而给人们的生活带来很大的伤害。其次在光伏生产中还会产生一些酸性的废水,含有氢氟酸、盐酸、硝酸等,这些污染成分进入水体和土壤中会使水质及土壤环境变坏,威胁动植物的生存,进而对自然界的生态平衡产生不利的影响[6]。在光伏产业链的生产过程中产生的大量氟氯产物,由于处理技术不成熟、生产系统不完善等原因,这些化合物通过废水、废气、废渣等排出,这些废弃物中的氟氯元素会随着水、空气等分散到周围环境中,通过地球化学循环在水体、土壤、植物中产生残留,进而对动植物以及人们的安全带来一些潜在的威胁。光伏产业产生的废弃物对水体、土壤以及植物造成的污染会严重影响自然界的生态平衡和正常的地球化学循环,进而对人们的生产和生活带来较大的危害[7]。

3. 3光伏太阳能生产废气对空气造成的污染

光伏产业对空气造成的污染主要来自于固体粉尘颗粒、酸性气体、氯气、硅烷及有机废气等。在多晶硅的生产制备中,随着硅片的切割会产生一些细小的颗粒散布到空气中,随人们的呼吸进入体内,进而对人们的身体健康造成不利的影响。光伏太阳能电池生产中的酸性废气主要来自于制绒和去磷硅玻璃工序中,能够产生氢氟酸、盐酸、氮氧化合物等,硅烷主要与反射膜制备有关,有机废气则主要来自于电路板的印刷以及烧结工序等[8]。这些废气被排放到空气中,首先会使空气质量下降, 对动植物及人们的呼吸造成伤害,另一方面,这些废弃随降雨、降雪等进入水体环境、土壤环境,产生更大的危害作用。

3. 4光伏太阳能产业造成的光、热污染

太阳能在使用过程中还会造成一定的光、热污染,对人们的生产和生活带来困扰。当太阳光照射强烈时,在太阳能集热板上会产生严重的光反射, 造成局部区域内的光污染。研究表明: 长期生活在光污染环境下的人,视网膜和虹膜都会发生一定程度上的病变,视力也会下降,甚至会产生白内障、神经衰弱等病症。光伏太阳能的利用还会产生一定区域范围内的热污染,这是由于太阳能集热板与地面吸收太阳能的能力相差较大,这样便会导致集热板附近与地面具有较大的温度差异,进而影响该区域范围内的大气循环,导致区域湿度剧变、风化侵蚀作用加剧[9]。光伏太阳能产业产生的光热污染会给人们的生产和生活造成较大的影响,降低人们的生活质量,这与人们利用太阳能的初衷是相违背的。

3. 5太阳能产业带来的其他污染问题

除了光伏太阳能产业带来的以上污染问题之外,还存在一些其他问题,如太阳能利用后的二次污染等。太阳能热水器中的水经过热循环之后,不能够直接饮用,但可以用于淋浴、建筑物清洗等。太阳能二次污染的水直接作用在人们的皮肤、头发上,会对人体的健康造成一定的伤害,太阳能热水器加工过的水通常硬度和浊度较大,会引发人的眩晕、呕吐等症状,在洗涤过程中也会消耗大量的洗涤剂。二次污染水在管网系统中会造成结垢、腐蚀等,造成供水管网堵塞、水流量减小等[10]。此外, 由于二次污染水中亚硝酸盐指标上升,会引发腹泻等流行性疾病的产生。基于上述太阳能二次污染水造成的伤害,必须严格控制二次污染水的排放, 加强其无害化处理,以弱化其带来的不利影响。

4结语

在光伏太阳能产业中产生的污染主要来自于生产环节、使用环节,光伏企业工作人员的环境责任意识较差也对企业的污染起到了推波助澜的作用。光伏太阳能产业造成的污染问题主要有: 1) 光伏太阳能电池生产中的资源浪费严重; 2) 光伏产业生产对周边水体、土壤环境造成的污染; 3) 光伏太阳能生产废气对空气造成的污染; 4) 光伏太阳能产业造成的光、热污染; 5) 太阳能产业带来的二次污染问题等。相关科研和技术人员需要认真对待上述污染问题,并采取积极措施加以解决。

参考文献

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太阳能光伏电池板第6篇

随着人类对能源需求的增加,能源问题成为当今社会面临的重要问题之一。由于传统化石能源的非可再生性以及人们对其利用造成大量环境污染,因此寻找一种新型的能源成为科学研究的热点。太阳能由于污染小以及取之不尽用之不竭等优点而成为未来最有希望的清洁能源,而直接将太阳辐射能转化为电能被认为是利用太阳能的最好方式之一。目前,无机太阳能电池已占有70%左右的太阳能电池市场,但是无机太阳能电池材料的制造成本高、加工工艺复杂以及携带不方便和非柔韧性等缺点限制了其大规模应用。与无机太阳能电池相比,有机太阳能电池因具有材料来源广泛、质量轻、制备工艺简单、成本低廉及能制备大面积柔性器件等优点而成为太阳能电池新的发展方向。聚合物/富勒烯体系太阳能电池是近年来国内外研究的前沿和热点,其能量转换效率可达到8.37%[1],但距实际应用还有一定差距。导致有机太阳能电池能量转换效率偏低的主要原因有: (1)有机材料的载流子迁移率比较低, 在传输过程中电子与空穴容易发生复合;(2)材料的吸收光谱与太阳光在陆地上的波长范围(可延伸到太阳光谱的近红外波段)不匹配,利用率偏低。传统的聚3-己基噻吩/富勒烯衍生物(P3HT/PCBM)体系存在电子能级匹配性不好(P3HT的HOMO能级太高)的问题,导致器件的开路电压较低(0.6V左右),这限制了其能量转换效率的进一步提高,基于P3HT/PCBM体系的聚合物太阳能电池似乎也已经达到最佳的器件性能。为进一步提高能量转换效率,需要研究开发具有更好能级匹配的新材料。

受体材料基本上局限于富勒烯衍生物,而富勒烯衍生物在可见波段内对光的吸收较少。因此,为了提高聚合物太阳能电池对太阳光的吸收,作为电子给体材料应具备窄带隙、宽吸收等特点。目前,通过构筑电子给体单元与电子受体单元交替结构(D-A类型)的聚合物可以有效调节分子的能级来实现能级的调控[2]。从电子效应来看,供-吸电子单元交替相连,可以使该电子单元之间双(或叁)键的电子发生偏移,使单键具有更多的双(或叁)键特征,从而减少交替键长差,减小能隙。从分子轨道理论来解释,如图1所示,聚合物的HOMO能级与LUMO能级的位置通过给体单元和受体单元的能级位置叠加时,能提高整个分子的最高电子占据轨道(HOMO),并且降低最低电子未占据轨道(LUMO),从而降低聚合物的能隙,可以选择不同给受电子单体或对单体做不同化学修饰来调控共聚物的能带宽度与能级位置。

1 共轭聚合物给体光伏材料

具有高光伏性能的共轭聚合物给体材料主要有基于芴、咔唑、苯并双噻吩、环戊双噻吩为给体单元以及基于苯并噻二唑等含氮杂环为受体单元的D-A类型共轭聚合物,下面分别进行介绍。

1.1 基于芴单元的系列共聚物

芴单元具有较好的共平面性和空穴传输性,能显著提高共聚物的载流子迁移率。此外,这些共聚物具有较低的HOMO能级,器件可获得比较高的开路电压。基于芴单元的系列共聚物是近年来研究最广泛的共轭聚合物之一。图2为一些基于芴单元的窄带隙共聚物分子的结构式,表1列出了这些共聚物的分子能级水平和相关光伏性能数据。

单纯地将芴单元与强吸电子基团苯并噻二唑(BT)共聚,会导致聚合物的电子迁移率过高,从而影响聚合物中电子和空穴迁移率的平衡。为了提高聚合物的空穴迁移率,Wang等[3]在苯并噻二唑两端引入具有给电子能力的噻吩基团,合成了聚合物PFO-DBT、PFO-M2、PFO-M3,如图2所示。在噻吩3位上引入烷基侧链可以改善聚合物的溶解性,但烷基链过长(PFO-M2)则会产生空间位阻而不利于分子链间的堆积效应,器件成膜性较差,导致能量转换率偏低。Chen等[4]在芴单元上引入氰基联苯侧链得到了共聚物PFcbpDTBT,氰基联苯侧链的引入不仅降低了聚合物的带隙,而且还可以形成聚合物的自组装,相信通过对器件制备工艺的进一步优化,还可以提高光伏电池的最终能量转换率。Wang等[5]将硅原子引入到芴单元中,合成了含硅共聚物PSiF-DBT,该聚合物具有较低的HOMO能级和高的空穴迁移率,在材料没有经过任何热处理的情况下,构建的光伏电池能量转换效率达到了5.4%。Jin等[6]在此基础上进一步在芴苯环上引入具有强给电子性的烷氧基得到了聚合物PSiFODBT,结果表明,烷氧基侧链的引入拓宽了聚合物的光吸收谱带,且改善了聚合物的溶解性。

喹喔啉及其衍生物是一类具有非常好的共平面性的多环结构分子,将喹喔啉及其衍生物引入共聚物中可以改善聚合物分子链间的π-π*堆积效应,有利于提高载流子迁移率。为此,Jo等[7]选择喹喔啉衍生物与芴单体通过Suzuki耦合反应得到了窄带隙聚合物PFTQx。该聚合物的性能分析表明,构建的光伏电池虽具有高的开路电压,但能量转换效率却并没有得到很大提高,这可能是由于大的共轭结构导致了分子链间相互作用减弱使得材料不易成膜。因此,Zhang等[8]在PFTQx基础上进一步修饰合成了聚合物PFTTQx,将带有侧链的噻吩单元取代喹喔啉,一定程度上降低了分子的刚性,同时烷基链又保证了聚合物的溶解性,构建的光伏电池最终能量转换率效高达4.4%。

与常见的线性D-A共聚物不同,Huang等[9]合成了聚合物PFDCN和PFPDT,这两种聚合物引入了共轭侧链,形成了二维的共轭分子链进而增加了π-π*堆积面积,有利于提高光伏电池的能量转换效率,构建的光伏电池能量转换效率分别达到4.74%和4.37%。这种新型的二维共轭聚合物展现出了优越的光伏特性,是一类非常有前途的新型光伏电子给体材料。

1.2 基于咔唑单元的系列共聚物

咔唑基团是中心含有吡咯环的三环结构,该结构使其具有很好的芳香性以及给电子性,因而具有好的空穴传输性能和优越的化学稳定性。近些年来,基于咔唑单元的聚合物在光伏领域表现出了卓越的性能,尤其在基于2,7咔唑的聚合物中引入吸电子基团构筑的给受体结构占据了主导地位。图3为近年来报道的基于咔唑单元的窄带隙电子给体材料的结构示意图,表2列出了这些材料的分子能级水平和相关光伏性能数据。

如图3所示,Qin等[10]合成了基于咔唑单元的聚合物HXS-1,苯并噻二唑上引入的烷氧基不仅保持了聚合物原有的共平面性,而且还平衡了聚合物空穴与电子的迁移率,在没有对器件做任何优化处理时,其能量转换率达到了5.4%。Kim等[11]用苯并咪唑替代苯并噻二唑合成了PCDTEHOCHBI,很好地改善了聚合物的溶解性,并降低了LUMO能级,光学带隙为1.65eV,由于聚合物的成膜性较差,能量转换效率比较低。苯并三唑是带3个氮原子的缺电子单元,比BT的吸电子能力更强。在苯并三唑的2号位接入烷基链不仅可以改善聚合物的溶解性,而且避免了强吸电子苯并三唑引起聚合物过高的LUMO能级。Peng等[12]以咔唑与苯并三唑共聚合成了成膜性更好的PCDTBTz,与基于苯并噻二唑和咔唑的聚合物相比,其HOMO、LUMO能级均得到降低,低的HOMO能级使器件开路电压提高到了0.92eV。

为了研究不同侧链对聚合物各种性能的影响,Wang等[13]设计合成了主链由咔唑-噻吩-喹喔啉-噻吩构成的聚合物EWC1、EWC3。咔唑单元氮原子上具有分支烷基链的EWC3改善了聚合物的溶解性,与PCBM共混后有较好的形貌,器件的能量转换率达到了3.7%。近年来一些报道的非线性D-π-A结构的共轭聚合物(EH-PCzDCN[14]、EH-PCzDTA[14])能量转换率超过了3.5%,是一种新型的聚合物给体光伏材料。

1.3 基于苯并二噻吩的系列共聚物

苯并[1,2-b:4,5-b′]二噻吩(BDT)单元具有大的共轭平面结构,有利于聚合物分子主链的π-π*堆积,基于BDT的聚合物表现出了高的载流子迁移率及良好的稳定性,器件均获得了比较高的能量转换效率,目前此类聚合物材料是最引人注目的。图4为近年来一些基于BDT单元的电子给体材料的分子结构示意图,表3列出了这些材料的分子能级和光伏性能数据。

Zhou等[15]在苯并噻二唑两端偶联两个噻吩并接入烷基链,并与BDT聚合得到PBnDTDBT,其能量转换效率达到了5.0%。他们进一步在原有的PBnDTDBT基础上通过在BT单元上引入F原子合成了PBDTDTFFBT,聚合物的HOMO、LUMO能级均有效地得到降低,能量转换效率提高到了7.2%。PPrice等[16]合成了基于苯并三唑与BDT单元的PBnDT-HTAZ,其能量转换效率为5.0%。他们同样在苯并三唑上引入F原子,合成了PBnDT-FTAZ,该聚合物具有很高的空穴迁移率,与PCBM能级能很好地匹配,能量转换效率达到了7.10%。Gu等[17]将4,7-二噻吩-5-基-2,1,3-苯并噻二唑单元第一次作为侧链与主链相连,合成了PTG1,桥连基团乙烯基能够增强主链的共平面性,同时也增加了共轭链的长度,避免了主链与侧链间的扭转。

苯并噁二唑(Bo)比BT氧化能力强,引入Bo单元能够降低聚合物的HOMO能级,但仅仅引入Bo单元会使得聚合物分子量较小导致聚合物溶解性较差。因此,Jiang等[18]在Bo苯环上引入烷氧基来增加聚合物的分子量,合成的PBDTBO能量转换率可达5.7%。有报道说BDT单元的4、8号位上线性的烷氧基导致聚合物具有低的分子量和差的溶解性[19,20]。因此,Nie等[21]通过在BDT单元上引入分支的烷基链来增加聚合物的分子量,合成的聚合物PBO具有1.68eV的带隙,器件的能量转换率高达6.05%。

最近一些文献报道了一种新的二维共轭聚合物,如图4所示,以二噻吩-苯并噻二唑为受体单元在BDT单元上形成二维共轭。Hou等[22]报道了PBDTTBT,该聚合物具有较低的HOMO能级,4个烷基的引入保证了聚合物的溶解性,器件能量转化效率达到5.66%。Peng等[23]合成了PBDT-OBT、PBDT-FBT,BDT单元上强给电子性的噻吩基团保证了聚合物较低的HOMO能级,能量转换率均超过了5.6%。值得指出的是,此类聚合物高能量转化效率的获得是没有经过热处理或者添加改性剂等的优化过程,所以相信经过进一步的优化,器件的性能还能提高。

1.4 基于环戊双噻吩单元的系列共聚物

环戊双噻吩单元(DTP)具有良好的分子链内导电性、高的载流子迁移率和薄膜状态下好的堆积效应等性质,被广泛应用于聚合物太阳能电池中。图5为近年来报道的一些应用于聚合物太阳能电池的环戊双噻吩类的窄带隙给体材料分子结构示意图。

表4列出了这些电子给体材料的分子能级水平和光伏性能数据。

Peet.J等[24]将环戊双噻吩与苯并噻二唑共聚合成了PDTCBT,它的光学带隙只有1.46eV,能量转换效率高达5.5%。Hou J H等[25]则进一步尝试了将环戊双噻吩单元换为含硅原子的噻咯并双噻吩单元,合成了PDTSiBT,结果表明,硅原子的引入提高了聚合物的载流子迁移率和器件的开路电压,开路电压高达0.9eV。Yue等[26]将氮原子引入环戊双噻吩单元中生成吡咯并双噻吩单元,合成了聚合物PDTNBT,吡咯并双噻吩具有更强的给电子能力,提高了聚合物的HOMO能级,导致器件的开路电压降低。Fei等[27]引入无机杂原子Ge得到了高分子量聚合物PGeBTBT,降低了聚合物供电子单元的刚性,空穴迁移率非常高。PGeBTBT与PCBM共混获得了半晶质的薄膜,能量转换率提高到了4.5%。

苯并硒二唑(BSe)具有与BT类似的化学结构,与BT相比,BSe在扩展聚合物的吸收光谱至红外光谱区方面更加有效。用硒原子代替硫原子会使聚合物的带隙更低。Hou等[28]合成了双噻吩并环戊二烯与BSe的共聚物PCPDTBSe,带隙得到了一定程度的降低。不过,由于Se的引入导致了过高的HOMO能级,器件的能量转换率不足1%。

TPD(噻吩并[3,4-c]吡咯-4,6-二酮)中氧原子和硫原子间的相互吸引增强了主链分子的平面性,TPD具有非常强的吸电子能力,与其他给体单元可形成很好的共轭性。一些基于TPD与环戊双噻吩及其衍生物合成的聚合物(如PDTTPD[29]、PDTPTPD[30])取得了不错的光电转换率。Zhang等[31]采用Stille耦合反应,以含C、Si、N杂原子的并二噻吩与TPD合成了窄带隙共轭聚合物PDTC、PDTSi、PDTP,它们具有较低的HOMO能级和高的空穴迁移率,做成的光伏器件均取得较好的能量转换率。四嗪结构简单对称,有很强的吸电子能力,可增强聚合物主链的共轭性。基于此,Li等[32]将四嗪与环戊双噻吩聚合得到PCPDTTTZ,器件获得了5.4%的能量转换率。

1.5 基于苯并噻二唑单元的系列共聚物

通常在苯并噻二唑两端偶联两个噻吩(DTBT)来改善聚合物的空穴传输和电子传输平衡,但是DTBT 单元刚性强,得到的聚合物溶解性较差,反而会影响聚合物薄膜的制备。通常在噻吩接入烷基链来改善聚合物的溶解性,这样有利于聚合物的纯化和器件薄膜的制备,许多聚合物的能量转换率都超过了2%[33,34]。Wang等[35]合成的PNB-4中的萘并双噻吩有高度有序的π-π*堆积结构,苯环上的烷氧基和噻吩上的烷基保证了聚合物的溶解性,同时使得PNB-4有更长的共轭链,基于PNB-4器件的能量转换率高达5.27%。图6为基于苯并噻二唑单元系列共聚物的分子示意图,表5列出了这些材料的分子能级水平和光伏性能数据。

线性烷基链的长度会影响活性层薄膜的结晶度,Hugo等[36]合成了一系列基于BT且含有不同烷基链的聚合物,发现有序的长侧链烷基聚合物具有较高的分子量,溶解性好,改善了活性层的形貌,能量转换率最高达到了5.5%(P-2)。Kim等[37]在钯催化下经Suzuki耦合反应合成了含不同侧链的PENTBT、PDNTBT、PTDNTBT,其能带均较窄,PDNTBT和PTDNTBT能量转换率达到4%以上,线性规整的烷基链增强了分子链间的相互作用,使聚合物有较好的结晶构造。硅原子的引入可以增强原子间的相互作用以及高分子链间的连接,含硅共轭聚合物作为一种有机/无机杂化材料具有很高的研究和开发价值。Wang等[38]合成了含有硅原子的基于噻吩-噻咯-苯环的PBSTBT、PBSTDTBT,它们具有很高的空穴迁移率,分子具有非常好的平面性,器件能量转换率均超过3.4%。

1.6 其他

图7为其他一些常有带隙给体材料的分子结构示意图,表6为这些材料的分子能级水平和光伏性能数据。Blouin等[39]结合理论计算和实验数据得出:吡啶类杂环比苯类杂环具有更低的HOMO能级和 LUMO能级。基于此,Zhou等[40]合成了含吡啶并噻二唑单元的聚合物 PNDTDTPYT、PQDTDTPYT、PBnDTDTPYT,它们低的HOMO能级保证了器件高的开路电压,最终3种聚合物的能量转换率都超过了5.5%。Sun等[41]由Stille偶合反应合成了基于规则噻吩-苯撑-噻吩的交替聚合物PIDTPYT,与PCBM做成的器件取得了不错的转换率。

PIDTPYT的受体单元噻二唑[3,4-c]嘧啶比苯并噻二唑有更强的吸电子能力,但其非对称的结构降低了聚合物的有序性,为此,Chen等[42]将受体单元噻二唑[3,4-c]嘧啶换为对称的苯并噻二唑合成了a-PTPTBT,a-PTPTBT有非常好的共平面结构,增强了电子的离域性与聚合物的π-π*堆积效应,能量转换效率高达6.4%。

近几年,吡咯酮类杂环受到科学工作者们的追捧。一些苯并吡咯酮类聚合物取得了不错的光伏特性(PDTSBTPh[43]、PTI-1[44])。吡咯并吡咯二酮类聚合物具有强烈的π-π链间堆积效应,增强了分子内的电荷转移效应。Janssen等[45]合成了基于吡咯并吡咯二酮类聚合物PDPP3T,其能量转换率达4.7%。随后他们用苯环代替噻吩合成了PDPPTPT[46],降低了HOMO能级,提高了器件的开路电压,同时也增加了聚合物的分子量,能量转换率提高到了5.5%。Chen等[47]合成了PDTTTPD,其具有非常好的溶解性和热稳定性,主链上的噻吩并吡咯酮单元与并噻吩强的共轭作用降低了聚合物的HOMO能级,能量转换率高达5.10%。

2 结语

太阳能光伏电池板第7篇

1 常用太阳能电池

1.1 硅太阳能电池

硅太阳能电池分为单晶硅、多晶硅太阳电池。商业化的单晶硅电池片电池效率在13%~18%, 多晶硅电池片效率一般在12%~16%左右。单晶硅电池片如图1所示, 多晶硅电池片见图2。

由电池片组成的电池组件的外形结构如图3所示。

1.2 非晶硅薄膜太阳电池

非晶硅薄膜太阳电池的生产成本较低, 便于大规模生产, 所以受到了人们的普遍重视, 从而得到迅速的发展。非晶硅太阳能材料虽然是一种很好的电池材料, 但它的光学带隙为1.7 e V, 转化效率一般较低, 在5%~9%左右。随着技术的不断改进, 原先非晶硅电池存在的光致衰降的S—W效应 (即太阳电池的光电转换效率会随着光照时间的延续而衰减) 问题得到了明显的改善, 光致衰降的比率从最初的20%~30%下降到10%~15%左右。非晶硅薄膜太阳电池具有较低的成本、重量轻、弱光响应好、高温性能好和充电效率高等特点。非晶硅薄膜太阳电池组件见图4。

2 项目概况

上海虹桥站光伏发电项目总装机容量为6.688 MW, 2010年并网时是世界上规模最大的光伏建筑一体化 (BIPV) 项目。项目光伏组件安装总面积约为4.5万m2, 分别在京沪高铁虹桥站南北雨棚上安装效率超过14%的多晶硅电池组件, 主要采用规格为1 956×992 (功率280 Wp, 效率14.4%) 的商用多晶硅光伏组件共计23 885块。通过96台汇流箱引入A, B, C, D四个配备500 k W逆变器各3台的逆变器室, 经过8台干式非晶合晶变压器升压至10 k V后并入电网。项目设计年发电量约630万k W·h, 建成年节约标煤2 274 t。该项目已于2010年6月28日成功并网发电。

天津西站光伏发电项目总装机容量为1.883 84 MW, 是天津市已经并网发电单体建筑上最大的光伏建筑一体化 (BIPV) 工程。项目光伏组件安装总面积约为3.7万m2, 分别在京沪高铁天津西站东西两侧无站台柱区雨棚顶部安装双层浮法夹胶玻璃封装方式非晶硅电池组件32 952块, 柔性非晶硅薄膜电池组件4 160块。通过76台汇流箱引入, 然后通过并网逆变器将引入的直流电转化成380 V的与电网同频率、同相位的正弦波电流, 再经过变压器升压至10 kV后并入电网。项目设计年发电量约为233.47万kW·h, 建成年节约标煤809 t。该项目已于2012年9月15日成功并网发电。

3 太阳能电池技术性能

3.1 常用的太阳电池技术性能比较

几种常用的太阳电池技术性能比较见表1。

从表1的比较结果可以看出:1) 商业化使用的太阳电池组件中, 单晶硅组件转换效率是最高的, 多晶硅稍低于单晶硅, 但两者的转换效率相差不大。2) 非晶硅组件电池透光度为5%~75%, 当然, 随着透光性的增加, 光伏电池的转化效率会随着下降, 运用到建筑上的最理想的透光度为25%。3) 晶体硅太阳能电池组件技术成熟, 产品的性能稳定, 且使用寿命长。在实际使用过程中, 晶体硅电池组件故障率极低, 运行维护也最为简单。

3.2 铁路客站项目对太阳能电池性能要求

铁路安全生产是一个重要环节, 铁路客站基本是24 h不停歇作业, 这就使得铁路客站具有其特殊性。上海虹桥站和天津西站的太阳能电池组件均安装在无柱站台雨棚上。不仅要经受住正常季节更替过程中所产生的冻胀, 还要经受得起火车在行驶过程中所产生的震动效应。在两个项目的后期监测过程中, 晶体硅的损坏率明显小于非晶硅玻璃组件的损坏率。

在维修保养过程中, 铁路客站必须采取天窗作业, 以保证列车的安全运行。所以在铁路客站的光伏太阳能发电工程中, 光伏组件的维修保养工作相比较于其他光伏太阳能项目的难度要更大些。在光伏组件的选用上, 损坏率较小的晶体硅光伏组件的优势性就更为凸显。在铁路客站太阳能发电项目中, 选用损坏率较小的晶体硅光伏组件, 不但可以减少维修保养的次数;在同样的条件下, 发电效率也高于非晶硅光伏组件;且以目前的价格来看, 晶硅电池组件的性价比最高。

4 结语

晶体硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池都有其各自的特点与适用性。针对上海虹桥铁路客站太阳能光伏并网发电工程和天津西站太阳能光伏并网发电工程中, 两个项目选用不同类型的太阳能电池进行比对, 取得了宝贵的经验, 为以后的铁路光伏并网发电项目中太阳能电池选型提供借鉴。

随着太阳能光伏发电产业技术的不断成熟, 光伏发电产品的成本不断地降低, 国家政策的倾斜和扶持, 未来的太阳能并网发电工程的前景也将更加广阔。

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太阳能光伏电池板第8篇

纳米ZnO材料作为一种半导体材料,因为其优异的光电性能,在太阳能电池[1]、压电式纳米发电机[2]、场致发射器件[3]、发光二极管[4]、紫外探测器[5]等光电子领域得到广泛应用。纳米ZnO的制备方法很多,其中水热法制备的纳米ZnO因其纯度高、结晶性好和形状尺寸可控而备受人们青睐[6]。另外,水热法因成本低廉、操作方便而具有更广阔的应用前景[7]。最近,科学家研发出一种称为纳米球刻蚀技术的方法用于制备纳米结构,这种方法采用尺寸分布窄的纳米胶体球(如聚苯乙烯分子),利用其高度排列整齐的“自组装效应”制成薄膜,在基板上以六方最密堆积形式排列成周期结构,通过调整工艺参数(如浓度、转速等),来改变薄膜层数及厚度。此法最大的特点在于所需设备成本低廉、容易操作,只需变换不同的纳米球粒径便可在各种基板上得到不同纳米尺寸的周期阵列结构[8]。2003年德国Hahn-Meitner-Institut GmbH研究所的J.Rybczynski等[9]利用水的表面张力,采用自组装法,在3cm×2cm的Si片上制备了单层分散的聚苯乙烯微球模板。2009年南京大学的Ling Xu等[10]也采用此法制备聚苯乙烯微球模板。2010年德国Max Planck微观结构物理研究所的Damiana Lerose等[11]在Si基片上采用旋涂法制备了聚苯乙烯模板。

本实验以聚苯乙烯(以下均称为PS)微球为原料,采用旋涂法在p型Si硅衬底上制备单层PS微球模板。首先在PS模板上旋涂制备ZnO纳米点阵(缓冲层),然后采用水热法在此缓冲层上生长ZnO纳米棒。ZnO纳米棒作为n型材料,与p型Si衬底形成p-n结,以此为基础制备ZnO/Si异质结太阳能电池组件。通过XRD、SEM以及伏安特性曲线的绘制,探讨PS微球模板对ZnO纳米棒的结晶程度、阵列的规整性以及器件的光电转化性能的影响。

1 实验

1.1 试剂和仪器

PS微球悬浊液(小球直径为205nm,标准差小于5%),去离子水,Zn(Ac)2·2H2O,NaOH,Zn(NO)2·6H2O,六亚甲基四胺((CH2)6 N4),无水乙醇,以上试剂均为分析纯。

KW4A台式匀胶机,真空干燥箱,磁力搅拌器,超声波清洗机,日本Jeol公司JSM-2800LV扫描电子显微镜,D/max2500型X射线衍射仪,150W氙灯,万用电表。

1.2 单层PS微球的旋涂

将清洗干净的1.5cm×1.5cm的Si片置于质量分数为10%的十二烷基磺酸钠溶液(表面活性剂)中浸泡24h。将硅片吸附于匀胶机上,吸取1滴聚苯乙烯微球悬浊液滴于硅片上进行润湿。先铺展10s,然后再取5滴悬浊液滴于硅片上。在低转速(200r/min)下旋涂10s,然后高转速(800r/min)旋涂60s。将旋涂好的硅片置于真空干燥箱中烘干。

1.3 ZnO缓冲层的涂覆

向100mL浓度为0.01mol/L的Zn(Ac)2乙醇溶液中逐滴滴加50mL浓度0.03mol/L的NaOH乙醇溶液。加热搅拌2h,制得ZnO胶体。然后吸取数滴胶体溶液滴于基片上,进行旋涂。将350℃退火40min的基片置于适量四氢呋喃(THF)溶液中超声震荡,去除PS微球,然后用乙醇溶液清洗硅片,清除掉残留的THF溶液。

1.4 ZnO纳米棒的生长

将200mL浓度均为0.025mol/L的Zn(NO3)2溶液和六亚甲基四胺(C6H12N4)溶液混合,超声振荡5min,制得生长液。将旋涂有缓冲层的硅片退火后置于生长液中,95℃加热6h。

样品编号:1#为未使用PS模板生长的ZnO样品,2#、3#为采用PS模板生长的ZnO的样品,区别在于3#在旋涂PS微球的过程中使用了表面活性剂。

2 结果分析与讨论

2.1 XRD分析

图1为典型的ZnO衍射图谱。衍射峰位与诸多文献所给出的ZnO的X射线衍射峰位基本一致,表明制备的ZnO纳米棒为六方纤锌矿结构。图1中不仅有反映垂直于基片的c轴方向的(002)晶面衍射峰,也有其他晶面的衍射峰,如(101)、(102)、(103)等,说明制备的样品表面出现多方向生长的特性,其中(002)、(101)面有明显的优势,这也与SEM结果一致。图1中并未出现Zn(OH)2形成的杂质峰[12],证明制备的纳米ZnO纯度较高。

从图1中可以直观地看到,B、C、D(分别为1#、2#、3#)样品的(002)衍射峰的相对强度逐渐增加,表明(002)晶面的结晶程度逐渐增加,即c轴方向上结晶程度增加。衍射峰的半高宽窄,峰值高,表明晶体质量好。原因在于,相对于Si衬底,ZnO更易生长在缓冲层(籽晶)上。缓冲层的作用主要表现在:(1)起缓冲作用,减少水热法生长的ZnO层与Si衬底之间的晶格失配;(2)起籽晶作用,有利于ZnO定向生长[13]。而采用PS微球为模板制备的的缓冲层呈现出点阵排列,从而使ZnO纳米棒的生长更加有序,结晶性能更好。图1中1#、2#、3#样品(002)峰逐渐增强,便很好地证明了这一点。

2.2 SEM分析

图2 (a)和(b)分别为未使用PS模板生长(1#)的ZnO纳米棒在低倍率下和高倍率下的SEM照片,图2(c)为采用PS模板生长(2#)的ZnO纳米棒的SEM图片,图2(d)为方法改进(旋涂PS时,Si表面经过表面活性剂浸泡处理,即3#)后生长的ZnO纳米棒的SEM图片。

图2(a)中ZnO纳米棒致密均匀,纳米棒顶端为六方形,直径为100~150nm,长度为700~1000nm,故长径比为7~9,粒径基本一致,长径比较高。然而其取向较为杂乱,竖直向上的纳米棒较少。究其原因,可能是旋涂的ZnO缓冲层分布均匀、晶粒尺寸均一,从而形成粒径一致的ZnO纳米棒。然而,致密的缓冲层使得ZnO纳米棒生长过程中空间过于狭窄,导致纳米棒的取向杂乱无章。

图2(c)中竖直取向的纳米棒明显增多,是因为采用PS模板使ZnO缓冲层更为分散,为ZnO纳米棒的竖直生长提供足够的空间。与图2(c)相比,图2(d)中的ZnO纳米棒排列更为紧密,竖直取向的纳米棒占主导优势。原因在于,旋涂PS微球前,经表面活性剂(十二烷基磺酸钠溶液)浸泡过的Si基片表面得到足够的润湿,在进行PS微球旋涂时,PS微球更容易单层均匀分散,进而得到结构规整的PS模板。只有单层分散、结构规整、周期排列的PS模板,才能用于制作周期分布的ZnO缓冲层阵列,从而生长出取向一致的ZnO纳米棒。

综上所述,采用PS微球模板制备的ZnO纳米棒有明显的竖直取向趋势,而Si表面经过表面活性剂处理后,容易形成单层均匀分散的PS模板,更有利于制备结构规整的ZnO缓冲层,从而得到竖直向上的ZnO纳米棒阵列。然而采用PS模板制备的ZnO纳米棒也存在粒径不均一、结构不够规整等不足。究其原因,可能是由于旋涂法制备的PS模板不够完美,引起ZnO缓冲层晶粒尺寸有细微的差别所致。

2.3 伏安特性曲线

图3为ZnO/Si异质结太阳能电池器件在150W氙灯模拟光源照射下的J-V特性曲线,其中光源功率P为100mW/cm2,电池的有效面积为1.0cm×1.0cm。

填充因子FF和光电转化效率分别根据式(1)、(2)计算:

FF=(VMJM)/(VOCJSC) (1)

η=VMJM/P (2)

式中:VOC为开路电压,JSC为短路电流,VM为最大输出功率下的电压,JM为最大输出功率下的电流。

从表1中可看出,与1#样品相比,2#、3#样品的短路电流JSC、开路电压VOC都有明显的提高,利用式(2)计算,得出使用PS模板的两组样品(2#和3#)的光电转化效率分别为0.72%和1.23%,相比于1#样品的0.27%均有很大程度提高。分析其原因为:使用PS微球模板生长的ZnO纳米棒的取向更加一致,排列更紧密,提高了ZnO纳米棒的电导率和电荷迁移率,从而改善了器件的光电性能。

从图3可看出,使用PS模板制备的器件的短路电流JSC和开路电压VOC都有明显的提高,证明制备的Si/ZnO异质结太阳能电池器件的电导率及载流子迁移率都有不同程度的提高。光伏器件的光电性能与载流子迁移率及材料本身的电荷传输性能密不可分,而结构规整、取向一致的ZnO纳米阵列有利于电荷的传输,从而提高器件的短路电流JSC和开路电压VOC,实现器件的光电转化效率的提高。其中,3#样品的转化效率最高,为1.23%。原因在于,旋涂过程中使用表面活性剂使PS微球的分散效果更好,结构规整的PS模板有利于取向一致的ZnO纳米棒的生长。

3 结论

(1)采用PS微球模板,制备了排列有序的ZnO缓冲晶种层,生长的ZnO纳米棒取向较一致,且沿c轴竖直取向占优。

(2)在旋涂PS微球之前,采用表面活性剂(十二烷基磺酸钠溶液)对Si基片进行表面润湿处理,有利于形成单层分散的PS模板。

(3)采用PS模板制备的太阳能电池器件,光电转化效率最高达1.23%,在ZnO阵列制备以及电极的蒸镀等工艺方面仍需进行改善,以期获得更高的转化效率。

摘要：在洁净的p型Si片上通过旋涂法组装了单层有序排列的聚苯乙烯微球(Polystyrene spheres,PS)阵列模板,然后在PS模板上旋涂1层ZnO先驱薄膜,清洗掉PS模板,制得周期性ZnO先驱薄膜点阵,再通过水热法生长ZnO纳米棒。采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)对样品进行表征,结果显示ZnO薄膜为柱状ZnO阵列,基于Si衬底沿c轴择优生长。以150W氙灯为模拟光源,照射Si/ZnO异质结太阳能电池器件,通过万用电表测试其伏安特性。性能最好的样品的光电转换效率为1.23%,填充因子为62%。