• 详解太阳能电池板

    2020-09-11|阅读数:203
      太阳能电池板(Solar panel)是通过吸收太阳光,将太阳辐射能通过光电效应或者光化学效应直接或间接转换成电能的装置,大部分太阳能电池板的主要材料为“硅”,但因制作成本较大,以至于它普遍地使用还有一定的局限。

      相对于普通电池和可循环充电电池来说,太阳能电池属于更节能环保的绿色产品。

      中文名
      太阳能电池板
      外文名
      Solar panel
      主要材料
      硅”
      能    源
      太阳能
      是否可再生
      可再生
      污染指数

      低


      目录
      1 结构组成
      2 材料分类
       单晶硅
       多晶硅
       非晶硅
       多元化合物
       柔性电池
      3 应用领域
      4 发电原理
       功率计算
       发电效率
      5 使用寿命
      6 制作流程
      7 测试方法
      8 检测与维护
      9 新型开发
       新型涂层
       植物材料

      结构组成
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      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。

      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,但消耗及电池片成本很高,但光电转换效率也高,在室外阳光下发电比较适宜;薄膜太阳能电池,相对设备成本较高,但消耗和电池成本 很低,但光电转化效率相对晶体硅电池片一半多点,但弱光效应非常好,在普通灯光下也能发电,如计算器上的太阳能电池。

      4)EVA作用如上,主要粘结封装发电主体和背板


    太阳能电池板


      5)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。)
      6)铝合金保护层压件,起一定的密封、支撑作用
      7)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
      8)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。

      材料分类
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      当前,晶体硅材料(包括多晶硅和单晶硅)是最主要的光伏材料,其市场占有率在90%以上,而且在今后相当长的一段时期也依然是太阳能电池的主流材料。多晶硅材料的生产技术长期以来掌握在美、日、德等3个国家7个公司的10家工厂手中,形成技术封锁、市场垄断的状况。多晶硅的需求主要来自于半导体和太阳能电池。按纯度要求不同,分为电子级和太阳能级。其中,用于电子级多晶硅占55%左右,太阳能级多晶硅占45%,随着光伏产业的迅猛发展,太阳能电池对多晶硅需求量的增长速度高于半导体多晶硅的发展,预计到2008年太阳能多晶硅的需求量将超过电子级多晶硅。 1994年全世界太阳能电池的总产量只有69MW,而2004年就接近1200MW,在短短的10年里就增长了17倍。

      晶体硅电池板:多晶硅太阳能电池、单晶硅太阳能电池。

      非晶硅电池板:薄膜太阳能电池、有机太阳能电池。

      化学染料电池板:染料敏化太阳能电池。

      柔性太阳能电池

      单晶硅

      单晶硅太阳能电池的光电转换效率为18%左右,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,但制作成本很大,以致于它还不能被普遍地使用。由于单晶硅一般采用钢化玻璃以及防水树脂进行封装,因此其坚固耐用,使用寿命可达25年。

      多晶硅




      多晶硅太阳电池的制作工艺与单晶硅太阳电池差不多,但是多晶硅太阳能电池的光电转换效率则要降低不少,其光电转换效率约16%左右 (2004年7月1日日本夏普上市效率为14.8%的世界最高效率多晶硅太阳能电池)。 从制作成本上来讲,比单晶硅太阳能电池要便宜一些,材料制造简便,节约电耗,总的生产成本较低,因此得到大量发展。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。从性能价格比来讲,单晶硅太阳能电池还略好。

      非晶硅



      非晶硅太阳电池是1976年出现的新型薄膜式太阳电池,它与单晶硅和多晶硅太阳电池的制作方法完全不同,工艺过程大大简化,硅材料消耗很少,电耗更低,它的主要优点是在弱光条件也能发电。但非晶硅太阳电池存在的主要问题是光电转换效率偏低,国际先进水平为10%左右,且不够稳定,随着时间的延长,其转换效率衰减。

      多元化合物
    多元化合物太阳电池指不是用单一元素半导体材料制成的太阳电池。各国研究的品种繁多,大多数尚未工业化生产,主要有以下几种:a)硫化镉太阳能电池b)砷化镓太阳能电池c)铜铟硒太阳能电池(新型多元带隙梯度Cu(In, Ga)Se2薄膜太阳能电池)

     Cu(In, Ga)Se2是一种性能优良太阳光吸收材料,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。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提高的薄膜太阳能电池。可以达到的光电转化率为18%,而且,此类薄膜太阳能电池到目前为止,未发现有光辐射引致性能衰退效应(SWE),其光电转化效率比商用的薄膜太阳能电池板提高约50~75%,在薄膜太阳能电池中属于世界的最高水平的光电转化效率。

      柔性电池


      柔性薄膜太阳能电池是相对于常规太阳能电池来区分的。

      常规太阳能电池一般是两层玻璃中间是EVA材料和电池片的结构,这样的组件重量较重,安装的时候需要支架,不易移动。

      柔性薄膜太阳能电池不需要采用玻璃背板和盖板,重量比双层玻璃的太阳能电池片组件轻80%,采用pvc背板和ETFE薄膜盖板的柔性电池片甚至可以任意弯曲,方便携带。安装的时候也不需要特殊的支架,可以方便安装在屋顶,和帐篷顶上使用。

      缺点是光电的转换效率要比常规的晶硅组件低。

      应用领域
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      1.用户太阳能电源:(1)小型电源10-100W不等,用于边远无电地区如高原、海岛、牧区、边防哨所等军民生活用电,如照明、电视、收录机等;(2)3-5KW家庭屋顶并网发电系统;(3)光伏水泵:解决无电地区的深水井饮用、灌溉。




      2. 交通领域:如航标灯、交通/铁路信号灯、交通警示/标志灯、宇翔路灯、高空障碍灯、高速公路/铁路无线电话亭、无人值守道班供电等。




      3. 通讯/通信领域:太阳能无人值守微波中继站、光缆维护站、广播/通讯/寻呼电源系统;农村载波电话光伏系统、小型通信机、士兵GPS供电等。

      4. 石油、海洋、气象领域:石油管道和水库闸门阴极保护太阳能电源系统、石油钻井平台生活及应急电源、海洋检测设备、气象/水文观测设备等。



      5.灯具电源:如庭院灯、路灯、手提灯、野营灯、登山灯、垂钓灯、黑光灯、割胶灯、节能灯等。




      6.光伏电站:10KW-50MW独立光伏电站、风光(柴)互补电站、各种大型停车厂充电站等。
      7.太阳能建筑:将太阳能发电与建筑材料相结合,使得未来的大型建筑实现电力自给,是未来一大发展方向。
      8.其他领域包括:(1)与汽车配套:太阳能汽车/电动车、电池充电设备、汽车空调、换气扇、冷饮箱等;(2)太阳能制氢加燃料电池的再生发电系统;(3)海水淡化设备供电;(4)卫星、航天器、空间太阳能电站等。

      发电原理


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      太阳电池是一种对光有响应并能将光能转换成电力的器件。能产生光伏效应的材料有许多种,如:单晶硅,多晶硅, 非晶硅,砷化镓,硒铟铜等。它们的发电原理基本相同,现以晶体硅为例描述光发电过程。 P型晶体硅经过掺杂磷可得N型硅,形成P-N结。
      当光线照射太阳电池表面时,一部分光子被硅材料吸收;光子的能量传递给了硅原子,使电子发生了跃迁,成为自由电子在P-N结两侧集聚形成了电位差,当外部接通电路时,在该电压的作用下,将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的实质是:光子能量转换成电能的过程。
      一、太阳能发电方式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。

      (1) 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



    太阳能电池板

      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,适用小规模特殊的场合,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。

      (2) 光—电直接转换方式该方式是利用光电效应,将太阳辐射能直接转换成电能,光—电转换的基本装置就是太阳能电池。太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件,是一个半导体光电二极管,当太阳光照到光电二极管上时,光电二极管就会把太阳的光能变成电能,产生电流。当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。太阳能电池是一种大有前途的新型电源,具有永久性、清洁性和灵活性三大优点.太阳能电池寿命长,只要太阳存在,太阳能电池就可以一次投资而长期使用;与火力发电、核能发电相比,太阳能电池不会引起环境污染;太阳能电池可以大中小并举,大到百万千瓦的中型电站,小到只供一户用的太阳能电池组,这是其它电源无法比拟的

      功率计算
      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,则输出功率为111W*5小时=555Wh。

      2.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。

      发电效率
      单晶硅太阳能的光电转换效率最高的达到24%,这是目前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,以至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明显地高的薄膜太阳能电池,可以达到的光电转化率为18%.

      使用寿命
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    太阳能电池板的使用寿命由电池片,钢化玻璃,EVA,TPT等的材质决定,一般会用好一点材料的厂家做出来的电池板使用寿命可以达到25年,但随着环境的影响,太阳能电池板的材料会随着时间的变化而老化。一般情况下用到20年功率会衰减30%,用到25年功率会衰减70%。

      制作流程
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      切片,清洗,制备绒面,周边刻蚀,去除背面PN+结,制作上下电极,制作减反射膜,烧结,测试分档等10步。

      太阳能电池具体的制作工艺说明

      (1) 切片:采用多线切割,将硅棒切割成正方形的硅片。

      (2) 清洗:用常规的硅片清洗方法清洗,然后用酸(或碱)溶液将硅片表面切割损伤层除去30-50um。

      (3) 制备绒面:用碱溶液对硅片进行各向异性腐蚀在硅片表面制备绒面。

      (4) 磷扩散:采用涂布源(或液态源,或固态氮化磷片状源)进行扩散,制成PN+结,结深一般为0.3-0.5um。

      (5) 周边刻蚀:扩散时在硅片周边表面形成的扩散层,会使电池上下电极短路,用掩蔽湿法腐蚀或等离子干法腐蚀去除周边扩散层。

      (6) 去除背面PN+结。常用湿法腐蚀或磨片法除去背面PN+结。

      (7) 制作上下电极:用真空蒸镀、化学镀镍或铝浆印刷烧结等工艺。先制作下电极,然后制作上电极。铝浆印刷是大量采用的工艺方法。

      (8) 制作减反射膜:为了减少入反射损失,要在硅片表面上覆盖一层减反射膜。制作减反射膜的材料有MgF2 ,SiO2 ,Al2O3 ,SiO ,Si3N4 ,TiO2 ,Ta2O5等。工艺方法可用真空镀膜法、离子镀膜法,溅射法、印刷法、PECVD法或喷涂法等。

      (9) 烧结:将电池芯片烧结于镍或铜的底板上。

      (10)测试分档:按规定参数规范,测试分类。

      测试方法
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      (1)由于太阳能组件的输出功率取决于太阳辐照度和太阳能电池温度等因素,因此太阳能电池组件的测量在标准条件下(STC)进行,标准条件定义为:

      大气质量AM1.5, 光照强度1000W/m2,温度25℃。

      (2)开路电压:用500W的卤钨灯,0~250V的交流变压器,光强设定为3.8~4.0万LUX,灯与测试平台的距离大约为15-20CM,直接测试值为开路电压;

      (3)在该条件下,太阳能电池组件所输出的最大功率称为峰值功率,在很多情况下,组件的峰值功率通常用太阳能模拟仪测定。影响太阳能电池组件输出性能的主要因素有以下几点:

      1)负载阻抗

      2)日照强度


      3)温度

      4)阴影

      检测与维护
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      1、检查电池板有无破损,要做到及时发现,及时更换。

      2、检查电池板连接线及地线是否接触良好,有无脱落现象。

      3、检查汇流箱接线处是否有发热现象。

      4、检查电池板支架有无松动和断裂现象。

      5、检查清理电池板周围遮挡电池板的杂草。

      6、检查电池板表面有无遮盖物。

      7、检查电池板表面上的鸟粪,必要时进行清理。

      8、对电池板的清洁程度进行鉴定。

      9、大风天气应对电池板及支架进行重点检查。

      10、大雪天应对电池板进行及时清理,避免电池板表面积雪冻冰。

      11、大雨应检查所有的防水密封是否良好,有无漏水现象。

      12、检查是否有动物进入电站对电池板进行破坏。

      13、冰雹天气应对电池板表面进行重点检查。

      14、对电池板温度进行检测,与环境温度相比较进行分析。

      15、对所检查出来的问题要要及时进行处理,分析、总结。

      16、对每次检查要做详细的记录,以便于以后的分析。

      17、做分析总结记录并归档。

      新型开发
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      新型涂层
      美国伦斯勒理工学院研究人员2008年开发出一种新型涂层,将其覆盖在太阳能电池板上能使后者的阳光吸收率提高到96.2%,而普通太阳能电池板的阳光吸收率仅为70%左右。

      新涂层主要解决了两个技术难题,一是帮助太阳能电池板吸收几乎全部的太阳光谱,二是使太阳能电池板吸收来自更大角度的太阳光,从而提高了太阳能电池板吸收太阳光的效率。

      普通太阳能电池板通常只能吸收部分太阳光谱,而且通常只在吸收直射的太阳光时工作效率较高,因此很多太阳能装置都配备自动调整系统,以保证太阳能电池板始终与太阳保持最有利于吸收能量的角度。

      植物材料
      2013年2月18日,日本一个研究小组却以木浆为原料,研发出一种新型太阳能电池板,这种“纸糊的”太阳能电池环保、廉价且超薄可弯曲,将来可能大有用武之地。

      为了保证透光率,通常太阳能电池板使用透明的玻璃或塑料。大阪大学产业科学研究所副教授能木雅也率领的研究小组以木浆中的植物纤维为原料,通过压缩加工,成功研发出厚度仅有15纳米的透明材料,并以此为基板,将光电转换有机材料和配线用压力嵌入,从而制成纸质太阳能电池。

      据称,“纸糊的”太阳能电池光电转换效率只有3%,远不及一般发电用太阳能电池10%至20%的转换率,但和玻璃基板太阳能电池差不多,而且便携易用,制造简单,成本极低,开发者希望几年后能实用。