太陽(yáng)能光伏發(fā)電電池

關(guān)于太陽(yáng)能光伏發(fā)電電池第1頁(yè)，講稿共18頁(yè)，2023年5月2日，星期三太陽(yáng)能電池的定義定義太陽(yáng)能電池是通過(guò)光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。以光電效應(yīng)工作的薄膜式太陽(yáng)能電池為主流，而以光化學(xué)效應(yīng)工作的濕式太陽(yáng)能電池則還處于萌芽階段。多晶硅太陽(yáng)能電池太陽(yáng)能電池板國(guó)際空間站太陽(yáng)能電池板第2頁(yè)，講稿共18頁(yè)，2023年5月2日，星期三太陽(yáng)能電池的發(fā)展歷史以太陽(yáng)能發(fā)展的歷史來(lái)說(shuō)，光照射到材料上所引起的“光起電力”行為，早在19世紀(jì)的時(shí)候就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了。1839年，光生伏特效應(yīng)第一次由法國(guó)物理學(xué)家A.E.Becquerel發(fā)現(xiàn)。到了1930年代，光起電力行為原理廣泛地使用于照相機(jī)的曝光計(jì)。1946年RussellOhl申請(qǐng)了現(xiàn)代太陽(yáng)電池的制造專(zhuān)利。第3頁(yè)，講稿共18頁(yè)，2023年5月2日，星期三太陽(yáng)能電池的市場(chǎng)狀況及趨勢(shì)太陽(yáng)能電池的應(yīng)用現(xiàn)狀

2010年全球累計(jì)裝機(jī)容量為25.4GW，預(yù)計(jì)2020年達(dá)到278GW，2030年達(dá)到1864GW。全球太陽(yáng)能電池產(chǎn)量以年均復(fù)合增長(zhǎng)率47%的速度迅猛增長(zhǎng)。目前，許多國(guó)家正在制訂中長(zhǎng)期太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)計(jì)劃，準(zhǔn)備在21世紀(jì)大規(guī)模開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能，美國(guó)能源部推出的是國(guó)家光伏計(jì)劃，日本推出的是陽(yáng)光計(jì)劃。第4頁(yè)，講稿共18頁(yè)，2023年5月2日，星期三裝機(jī)容量和發(fā)電量太陽(yáng)發(fā)電系統(tǒng)裝機(jī)容量＝電池板面積×日照強(qiáng)度×光電轉(zhuǎn)換效率日照強(qiáng)度：太陽(yáng)光照射在單位面積的能量強(qiáng)度，單位：W/m2光電轉(zhuǎn)換效率：太陽(yáng)能電池板將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的效率。晶體硅目前的效率約為：13-16%太陽(yáng)發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量＝裝機(jī)容量×有效日照時(shí)間×綜合系數(shù)綜合系數(shù)：考慮到電池板的安裝角度（水平、垂直方向）、逆變器的逆變損失、電力傳輸?shù)木€(xiàn)損、局部陽(yáng)光遮擋等因素，最終的系統(tǒng)發(fā)電效率因數(shù)第5頁(yè)，講稿共18頁(yè)，2023年5月2日，星期三各國(guó)太陽(yáng)能的發(fā)展趨勢(shì)

美國(guó)繼國(guó)家“光伏計(jì)劃”后，還推出了"太陽(yáng)能路燈計(jì)劃",旨在讓美國(guó)一部分城市的路燈都改為由太陽(yáng)能供電，根據(jù)計(jì)劃，每盞路燈每年可節(jié)電800度。日本也正在實(shí)施太陽(yáng)能"7萬(wàn)套工程計(jì)劃"，日本準(zhǔn)備普及的太陽(yáng)能住宅發(fā)電系統(tǒng)，主要是裝設(shè)在住宅屋頂上的太陽(yáng)能電池發(fā)電設(shè)備，家庭用剩余的電量還可以賣(mài)給電力公司。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)家庭可安裝一部發(fā)電3000瓦的系統(tǒng)。日本、韓國(guó)以及歐洲地區(qū)總共8個(gè)國(guó)家決定攜手合作，在亞洲內(nèi)陸及非洲沙漠地區(qū)建設(shè)世界上規(guī)模最大的太陽(yáng)能發(fā)電站，他們的目標(biāo)是將占全球陸地面積約1/4的沙漠地區(qū)的長(zhǎng)時(shí)間日照資源有效地利用起來(lái)，為30萬(wàn)用戶(hù)提供100萬(wàn)千瓦的電能。第6頁(yè)，講稿共18頁(yè)，2023年5月2日，星期三太陽(yáng)能電池定義和分類(lèi)

分類(lèi)

太陽(yáng)能電池按結(jié)晶狀態(tài)可分為結(jié)晶系薄膜式和非結(jié)晶系薄膜式（以下表示為a-）兩大類(lèi)，而前者又分為單結(jié)晶形和多結(jié)晶形。太陽(yáng)能電池根據(jù)所用材料的不同，太陽(yáng)能電池可分為：硅太陽(yáng)能電池、多元化合物薄膜太陽(yáng)能電池、聚合物多層修飾電極型太陽(yáng)能電池、納米晶太陽(yáng)能電池、有機(jī)太陽(yáng)能電池、塑料太陽(yáng)能電池，其中硅太陽(yáng)能電池是目前發(fā)展最成熟的，在應(yīng)用中居主導(dǎo)地位。第7頁(yè)，講稿共18頁(yè)，2023年5月2日，星期三硅太陽(yáng)能電池單晶硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也最為成熟。在實(shí)驗(yàn)室里最高的轉(zhuǎn)換效率為24.7%，規(guī)模生產(chǎn)時(shí)的效率為15%（截止2011，為18%）。在大規(guī)模應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)中仍占據(jù)主導(dǎo)地位，但由于單晶硅成本價(jià)格高，大幅度降低其成本很困難，為了節(jié)省硅材料，發(fā)展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜做為單晶硅太陽(yáng)能電池的替代產(chǎn)品。

多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池與單晶硅比較，成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜電池，其實(shí)驗(yàn)室最高轉(zhuǎn)換效率為18%，工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率為10%（截止2011，為17%）。因此，多晶硅薄膜電池不久將會(huì)在太陽(yáng)能電池市場(chǎng)上占據(jù)主導(dǎo)地位。

太陽(yáng)能單晶硅片

硅太陽(yáng)能電池分為單晶硅太陽(yáng)能電池、多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池和非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池三種。第8頁(yè)，講稿共18頁(yè)，2023年5月2日，星期三非晶硅太陽(yáng)能電池非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池成本低重量輕，轉(zhuǎn)換效率較高，便于大規(guī)模生產(chǎn)，有極大的潛力。但受制于其材料引發(fā)的光電效率衰退效應(yīng)，穩(wěn)定性不高，直接影響了它的實(shí)際應(yīng)用。如果能進(jìn)一步解決穩(wěn)定性問(wèn)題及提高轉(zhuǎn)換率問(wèn)題，那么，非晶硅太陽(yáng)能電池?zé)o疑是太陽(yáng)能電池的主要發(fā)展產(chǎn)品之一。第9頁(yè)，講稿共18頁(yè)，2023年5月2日，星期三太陽(yáng)能電池的工作原理及結(jié)構(gòu)原理太陽(yáng)光照在半導(dǎo)體p-n結(jié)上，形成新的空穴-電子對(duì)，在p-n結(jié)光照的作用下，光生空穴由n區(qū)流向p區(qū)，光生電子由p區(qū)流向n區(qū)，接通電路后就形成電流。這就是光電效應(yīng)太陽(yáng)能電池的工作原理。太陽(yáng)能發(fā)電有兩種方式，一種是光—熱—電轉(zhuǎn)換方式，另一種是光—電直接轉(zhuǎn)換方式。

第10頁(yè)，講稿共18頁(yè)，2023年5月2日，星期三太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)玻璃蓋板：用來(lái)將電池與元件分開(kāi)，以保護(hù)電池。負(fù)電極：主要起導(dǎo)電作用。通常制作為金屬接觸網(wǎng)狀，它可縮短電子移動(dòng)的距離同時(shí)只覆蓋電池表面的一小部分，以便太陽(yáng)光能照射到半導(dǎo)體材料并且減少反射造成的損失。即使是這樣，有些光子也會(huì)被網(wǎng)格阻止；網(wǎng)格不能太小，否則它自身的電阻就會(huì)過(guò)高。反射防止膜：硅是一種有光澤的材料，這意味著它的反射性能很好。被反射的光子不能被電池利用。出于這個(gè)原因，在電池頂部采用抗反射涂層，可將反射損失降低到5%以下。第11頁(yè)，講稿共18頁(yè)，2023年5月2日，星期三太陽(yáng)能電池的應(yīng)用目前，太陽(yáng)能電池的應(yīng)用已從軍事領(lǐng)域、航天領(lǐng)域進(jìn)入工業(yè)、商業(yè)、農(nóng)業(yè)、通信、家用電器以及公用設(shè)施等部門(mén)，尤其可以分散地在邊遠(yuǎn)地區(qū)、高山、沙漠、海島和農(nóng)村使用，以節(jié)省造價(jià)很貴的輸電線(xiàn)路。但是在目前階段，它的成本還很高，發(fā)出1kW電需要投資上萬(wàn)美元，因此大規(guī)模使用仍然受到經(jīng)濟(jì)上的限制。第12頁(yè)，講稿共18頁(yè)，2023年5月2日，星期三太陽(yáng)能電池的研究難點(diǎn)與進(jìn)展太陽(yáng)能電池研究難點(diǎn)1、太陽(yáng)能光譜中能量（hv）小于Eg的光子不能被吸收，充電池中透過(guò)。2、能量大于Eg的光子被吸收后激發(fā)出熱載流子，超過(guò)Eg的能量（hv-Eg）很快以熱能的形式釋放掉了。3、光生載流子的輻射，即太陽(yáng)能電池在吸收太陽(yáng)光的同時(shí)也向外輻射光。4、在實(shí)際電池中由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝條件等外部條件（如：表面反射、串聯(lián)電阻、晶格缺陷）的影響，是轉(zhuǎn)換效率降低。第13頁(yè)，講稿共18頁(yè)，2023年5月2日，星期三太陽(yáng)能電池研究趨勢(shì)目前，單結(jié)GaAs實(shí)驗(yàn)室紀(jì)錄效率為26.1%該值已經(jīng)接近于理論極限31%。但是從太陽(yáng)能的利用率來(lái)講還是比較低。為了研制高校太陽(yáng)能電池技術(shù)，必須突破單結(jié)電池效率的主要限制，即上述（1）和（2）兩點(diǎn)造成的損失。為此，研究者提出了一系列的新型電池設(shè)計(jì)方案：多結(jié)層電池、中間帶電池、多激子產(chǎn)生電池、熱載流子電池、熱光伏電池等。第14頁(yè)，講稿共18頁(yè)，2023年5月2日，星期三納米太陽(yáng)能電池以TiO2納米多孔膜作為半導(dǎo)體電極，以Ru及Os等有機(jī)金屬化合物光敏化染料，選用適當(dāng)?shù)难趸?還原電解質(zhì)做介質(zhì)，組裝成染料敏化TiO2納米金屬太陽(yáng)能電池，其光電轉(zhuǎn)換性能非常類(lèi)似液態(tài)電解質(zhì)太陽(yáng)能電池。第15頁(yè)，講稿共18頁(yè)，2023年5月2日，星期三太陽(yáng)能纖維電池最新報(bào)道，復(fù)旦大學(xué)彭慧勝教授課題組新研制出的取向碳納米管纖維，基于這一技術(shù)可以制成一根根像頭發(fā)絲一樣細(xì)的纖維狀太陽(yáng)能電池，其直徑