文章编号:1006-1630(2003)04-0010-05
空间实验室大面积太阳电池阵技术研究
李瑞祥,王治易,肖 杰,狄文斌,肖余之
(上海宇航系统工程研究所,上海201108)
摘 要:介绍了空间实验室大面积太阳电池阵的方案构型,并进行了模态分析、热结构耦合分析和动力学仿真分析。生产出了全尺寸的集成演示样机,进行了展开试验、主展开机构的模态试验,以及半刚性太阳电池板和二自由度驱动机构的振动试验。计算和试验结果表明,技术方案是可行的。
关键词:空间实验室;太阳电池阵;展开机构;演示系统中图分类号:V 442;T M 914.43 文献标识码:A
Study on Technology of Large Area Solar Array in Space Lab
LI Ru-i x iang ,WANG Zh-i yi,XIAO Jie,DI Wen -bin,XIAO Yu -zhi
(A erospace System Engineering Shang hai,Shanghai 201108,China)
Abstract :T he co nfiguration of large solar array in space lab is put forward in this paper,and the mode,ther mal coupling and dynamics stimulat ion analysis is made.T he integrated demonstration system model of large so lar array has been produced already.O n the base of the sampler,the tests of deplo yment,main deployment mechanism mode,sem-i r igidity so lar cell panel vibration and two -dimension driv e mechanism are carr ied out.T he result o f the analysis and test is show ed that this technology project is feasible.
Keywords :Space lab;Solar array ;Deployment mechanism;Demonstration mo del
收稿日期:2002-06-14;修回日期:2003-05-21
作者简介:李瑞祥(1964~),男,研究员,主要研究方向为航天器结构与机构。
0 引言
未来空间实验室和大型航天器的太阳电池阵单翼展开长度将大于几十米。由此带来了一系列必须解决的技术问题,即应尽量满足质量小、展开可靠性高和弯曲自然频率尽可能高的要求。但这3个独立的设计参数是相互制约的,必须进行特定优化和权衡设计。若采用大面积的刚性太阳电池阵,则质量就成为突出的问题。为实现超轻型化,国际上普遍采用半刚性和柔性的太阳电池阵作为主要研究对象[1]。
加拿大技术卫星(CTS)第1次使用柔性折叠式太阳电池阵,它由若干块柔性敷层组成。这些敷层在收藏时能像手风琴那样折叠起来,进入空间后可用1根可伸展的支杆展开。德国MBB 公司制造的超轻板(U LP)太阳阵,采用刚性框架支撑预紧的薄
膜基板。法国戈纳航空空间公司也进行了类似的研究,其每块板都由空心的碳纤维复合材料方形管组
成,太阳电池安装在预紧的柔性Kapton 基板上。美国洛克希德公司研制的电推进(SEPS )太阳电池阵是第1次采用电推进的大型可回缩柔性太阳电池阵。它每翼有41块折叠太阳板,用可盘绕的格子式连续梁支柱展开。为了使太阳电池阵可以回缩,每半块板用碳纤维复合材料框架加强。美国休斯公司研制的柔性卷式太阳阵(FRU SA)已应用于/哈勃0太空望远镜。日本的大型地球观察卫星ADEOS 、美国的飞行试验太阳电池阵(SAFE)和洛克希德公司为俄罗斯/和平号0空间站生产的太阳电池阵,以及美国洛克#马丁公司为国际空间站制造的可展开、可收缩的太阳电池阵均为半刚性和柔性的太阳电池阵[2,3]。
包装式柔性太阳阵的中心机械元件是能使太阳电池基板伸展和收缩的展开支柱。它在整个太阳阵系统中占的比重很大,要求质量轻、包装尺寸小、可靠性高、热变形小和定位精度高,并有足够的刚度与
强度。就大型结构的刚度和质量来说,桁架形式的梁结构是最有效的,它具有结构质量小、刚度好、外形尺寸小和热变形小的特点。这些铰链或盘绕的格子式支柱结构的效率较高,已成为很多大型太阳电池阵伸展机构的优选类型,也是近年来的主要发展趋势[1]。
我国也开展了空间实验室大面积太阳电池阵技术的研究。通过方案论证,对适合我国未来空间实验室的大面积太阳电池阵的构型、展开形式、结构材料和太阳电池片等方面,提出了技术要求,并进行了集成技术研究。其中可伸缩的杆状构架式展开机构的研制成功,还为大型天线、太阳帆和重力梯度杆等提供了应用基础。
1 方案设计
1.1 总体构型
空间实验室大面积太阳电池阵的总体构型,需适应我国未来空间实验室的布局和发展。空间实验室设置两翼太阳电池阵,发电功率大于10kW,每翼面积为42m 2
,有16块太阳电池板组成,每块板尺寸为3984mm @618mm,主展开机构安装在太阳电池板的背面。在展开状态下,板间间距为48mm;压紧状态下,板间间距为15mm 。展开状态下的总长度为112400mm,如图1所示。收拢状态下的外形尺寸为4024mm @1176mm @545mm,如图2所示。
收拢后的主展开机构旋转90b ,与太阳电
池板
图1 太阳电池阵展开状态构型Fig.1 Deployment configuration of solar array
处于平行状态。这样的结构布局可以充分利用整流罩空间,使太阳电池阵安装紧凑。
1.2 组成
设计的空间实验室大面积太阳电池阵集成演示系统,主要由基板、主展开机构(桁架)、展开控制器、硅太阳电池、线路电缆和二自由度驱动机构等组成。1.2.1 基板
采用由碳纤维复合材料边框和Kevlar 纤维网格面板组成的半刚性基板,这种结构的电池片散热较好,并且反面可以利用地球反射光发电,从而提高电池片的发电效率。1.2.2 主展开机构
主展开机构主要用于支撑大面积半刚性基板,只有采用刚性好的展开机构才能提高整体结构基
频。主展开机构主要由截面为三角形的可折叠空间
图2 太阳电池阵收拢状态构型Fig.2 Slow ed configuration of solar array
桁架、收藏箱、展开电机、减速装置和折叠机构等组成,它可以在空间多次伸缩展开,还可以通过宇航员出舱活动进行手动伸缩展开。空间桁架的截面为正三角形,边长为300mm,每1节桁架长度为300 mm,共35节。完全展开时的长度为12528m m,其中最后1节留在箱体内。空间桁架完全收拢后的尺寸即为箱体尺寸,高度为878m m。
碳化硅增强铝基(SiCp/Al)复合材料具有比刚度大和热膨胀系数低的特点,如表1所示。
表1铝合金、钛合金和SiC p/Al复合材料性能比较Tab.1The perform ance comparison of aluminum alloy, titanium alloy and SiCp/Al composites
性能S iCp/Al LD10TC4密度/(g#cm-3) 2.85 2.8 4.5
抗拉强度/M Pa5004601000
比强度/102m175164222拉伸弹性模量/GPa9572110比刚度/105m332624膨胀系数/(10-6#e-1)16.622.58.9
由表1可见,SiCp/Al复合材料比强度和热膨胀系数介于基体铝合金(LD10)和钛合金(TC4)之间,因此,将其用于空间桁架结构是非常合适的[4,5]。该主展开机构的3根螺杆和空间网格上的所有立杆、特型螺母均采用SiCp/Al复合材料,充分发挥了颗粒增强铝基复合材料高比模量和良好耐磨性的优势。这是SiCp/Al复合材料在我国航天领域中一次较大规模的应用。
1.2.3展开动力
展开电机采用直流无刷电机,它具有普通直流有刷电机良好的调速特性和启动性能,又从根本上消除了换向火花等弊端,具有长寿命、高可靠性和低噪声等优点。
减速装置采用圆柱齿轮传动,二级减速。对相对运动的接触表面涂防冷焊的固体滑润膜。
展开控制器主要由指令通信单元、译码控制单元、功率驱动单元和故障检测切换单元等组成。展开控制器接收来自控制分系统的控制指令,按指令要求向展开机构电机输出所需的驱动信号,使展开机构带动太阳阵展开和收拢。
1.2.4太阳电池和线路电缆
系统集成了单片面积为8cm@8cm的硅太阳电池。对太阳电池线路电缆和太阳电池与半刚性基板的粘贴技术,进行了深入的研究并取得了突破。半刚性太阳电池板经过了力学环境和光照试验,结果表明,各种性能满足空间实验室指标要求。
1.2.5二自由度驱动机构
二自由度驱动机构由电机、齿轮传动装置、电缆与滚环或滑环等电传输装置组成,它有2个互为垂直的驱动轴(即与太阳电池阵连接的A轴和与航天器连接的B轴),可以在不同的轨道倾角上,根据航天器姿态控制指令,对日实施跟踪和捕获,使太阳电池阵始终指向太阳,并与航天器的姿态无关。传输电功率大于5kW,功耗小于25W。A轴的转角范围为360b(连续),采用滑环传输方式;B轴的转角范围为?75b,采用电缆传输方式。二自由度驱动机构的工作模式有捕获、跟踪、归零和锁定数种。研制的二自由度驱动机构样机,完成了各种力学环境和空间环境试验。结果表明,该样机的设计方案是可行的,满足性能指标要求。
2设计分析
2.1结构模态分析
空间桁架上的铰链接头、对角张力元件和桁架梁等构成了潜在的非线性元件,使桁架在总体上呈现非线性特性。桁架的固有频率、阻尼比等模态参数随输入激励的幅值、方向、支承刚度和所施加的预载荷而变[6,7]。
利用M SC/NASTRAN分析软件,计算这种网格结构的结构动力学,具有一定的难度,因为它是一种非线性结构。结合MSC/NAST RAN分析软件,通过建模分析,对空间实验室大面积太阳电池阵结构不同阶次的模态频率f进行了计算,计算结果如表2所示。
表2太阳电池阵结构模态频率
Tab.2Model frequency of solar array
阶次1234
f/H z0.220.61 1.02 1.07
振型弯曲侧摆弯曲弯曲
由表2可见,一阶固有频率为0.22Hz,振型为面内弯曲,二阶振型为侧摆,三阶和四阶均为弯曲振型。前四阶的振型图如图3所示。
图3 振型图Fig.3 Model shape
2.2 ADAMS 仿真分析
利用ADAMS 软件,进行运动学和动力学的动态仿真分析计算,以验证和分析桁架在收缩和展开过程中能否正常工作,是否会出现/卡死0现象;计算桁架在收缩和展开过程中所需的动力以及随时间的变化;计算弹簧刚度和对角支撑杆的张紧力;给出运动特性曲线和受力分析曲线;同时对机构性能进行评估,对各受力部件的受力情况进行分析,并为机构设计提供依据。太阳电池阵动力学分析模型如图4
所示。
图4 太阳电池阵动力学分析模型Fig.4 Dynamic analysis model of solar array
对图4中太阳电池阵主展开机构最下面一节三角框和底框进行动力学仿真分析计算,结果如图5~7所示。
随着桁架一节一节收拢,底框被一步步压向收藏箱箱底。速度曲线反映出底框与收藏箱之间存在摩擦,收拢是一个平稳的过程。
速度越快,摩擦力就越大。摩擦力在收拢时为
图5 底框位置变化曲线Fig.5 Bottom frame displacement
图6 底框速度变化曲线
Fig.6 Bottom frame velocity
正,展开时为负。上面各节展开过程中,虽然略有影响,但最下面一节基本不动。当最下面一节展开并
到位后,整个展开过程结束。
动力学仿真分析计算结果表明,太阳电池阵能平稳地收拢和展开,不会出现/卡死0现象。
图7最下面一节框与底框之间的撞击力
Fig.7Impact force between two frames of the bottom section
3试验技术
在地面模拟空间展开试验时,需要采用零重力试验装置。目前,国内外一般有悬挂式和气浮式2种试验方法。
现采用悬挂式展开试验方案。经设计、生产和总装,进行了空间实验室大面积太阳电池阵展开试验,展开时间为20min,平均展开速度约为0.5m/ min。试验结果表明,原理样机方案是可行的。
4结论
a)大面积单边折叠式太阳电池阵方案,不仅能满足我国未来空间实验室的需求,而且还可以满足大型航天器和卫星的功率要求。
b)太阳电池阵展开机构采用截面为三角形的空间网格桁架折铰式的展开构型方案,具有收藏比大、比刚度大、展开可靠性高、结构效率高和模态频率较高等特点。
c)展开机构中的主要材料选用金属基复合材料,可以减轻质量、提高刚度,并已开展了金属基复合材料的应用研究。
d)选用悬挂式展开试验装置方案,进行了空间实验室大面积太阳电池阵地面展开试验。试验结果表明,原理样机试验方案是可行的。
参考文献
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[7]SHA KER F J.Effect of ax ial load o n mode shapes and
frequencies of Beams[J].N ASA T N D-8109.
新书介绍
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5非金属材料手册6(2002年版)由中国航天科技集团公司上海航天技术研究院第八0七研究所组织有关专业技术人员编制,于2003年初在航天两大集团正式出版发行。
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(上海航天技术研究院第八0七研究所)
有机薄膜太阳能电池的研究进展 摘要：围绕提高有机薄膜太阳能电池的能量转换效率，从太阳光吸收效率、激子的分解率、载流子的迁移率和电荷向电极的注入效率4个方面综述了国内外的研究进展，并指出了提高转换效率的研究趋势，展望了有机薄膜太阳能电池的美好前景。 关键词：有机薄膜太阳能电池；转换效率 1 前言 近年来，有机薄膜太阳能电池的发展尤其引人注目，德国、日本、韩国和美国在这一领域处于领先地位。相比传统的硅基太阳能电池，有机薄膜太阳能电池以其潜在的低成本、高效率、环境友好、稳定性高的特点，成为最有希望实现民用化光伏的产业，目前的转换效率突破了9%，发展趋势被业界一致看好。 2 有机薄膜太阳能电池的基本原理 图1 有机薄膜太阳能电池的基本原理 当阳光从阳极层（P型有机半导体）照射时，有机分子吸收光产生激子，激子向电子给体和电子受体的界面移动，在界面处通过光诱导解离分解成自由电子和自由空穴，自由电子和自由空穴各自向电极两端迁移，最后注入到两端电极输向外电路。 3 提高转化效率的研究进展 有机薄膜太阳能电池要实现产业化，就需要有较高的转换效率，目前提高转换效率的研究主要集中在以下几方面： 3.1 提高太阳光吸收效率 材料对太阳光的吸收效率越高激子的生成效率就越高。有机材料对太阳光的吸收一般在可见光区，大部分材料对太阳光的吸收利用率不超过40 %，提高材料的吸收光谱与太阳光谱的 匹配性是提高材料对太阳光吸收效率的有效途径。另外，还可以在器件结构中引入具有强吸收特性的材料。利用它们吸收部分太阳能量，再通过激子扩散将其转移给活性材料［1］。 将太阳光吸收特性不同的电池单元层积得到级联电池（又称叠层电池），通过底层电池对顶层电池的补充吸收可以增加对太阳光谱的吸收。张馨芳［2］等人研究了有机无机复合体系本体异质结叠层有机太阳能电池，用Ag作为夹层材料来连接上层的本体异质结太阳电池和下层的太阳电池，得到的叠层结构的太
太阳能电池板及其工作原理
太阳能电池板及其工作原理 性能及特点： 太阳能电池分为单晶硅太阳电池（坚固耐用，使用寿命一般可达20年。光电转换效率为15％。）多晶硅太阳电池（其光电转换效率约14.5％，材料制造简便，节约电耗，总的生产成本较低非晶硅太阳电池。）非晶硅太阳能电池（其光电转换率为10%，成本低，重量轻，应用方便。） 太阳能发电原理： 太阳能不象煤和石油一样用交通工具进行运输，而是应用光学原理，通过光的反射和折射进行直接传输，或者将太阳能转换成其它形式的能量进行间接传输。直接传输适用于较短距离。基本上有三种方法：基本上有三种方法：通过反射镜及其它光学元件组合，改变阳光的传播方向，达到用能地点；通过光导纤维，可以将入射在其一端的阳光传输到另一端，传输时光导纤维可任意弯曲；采用表面镀有高反
射涂层的光导管，通过反射可以将阳光导入室内。间接传输适用于各种不同距离。将太阳能转换为热能，通过热管可将太阳能传输到室内；将太阳能转换为氢能或其它载能化学材料，通过车辆或管道等可输送到用能地点；空间电站将太阳能转换为电能，通过微波或激光将电能传输到地面。 太阳能的光电转换是指太阳的辐射能光子通过半导体物质转变为电能的过程，通常叫做"光生伏打效应”,太阳电池就是利用这种效应制成的。 当太阳光照射到半导体上时，其中一部分被表面反射掉，其余部分被半导体吸收或透过。被吸收的光，当然有一些变成热，另一些光子则同组成半导体的原子价电子碰撞，于是产生电子-空穴对。这样，光能就以产生电子-空穴对的形式转变为电能、如果半导体内存在P-n结，则在P型和n型交界面两边形成势垒电场，能将电子驱向n 区，空穴驱向P区，从而使得n区有过剩的电子，P区有过剩的空穴，在P-n结附近形成与势垒电场方向相反光的生电场。光生电场的一部分除抵销势垒电场外，还使P型层带正电，n型层带负电，在n区与p区之间的薄层产生所谓光生伏打电动势。若分别在P型层和n型层焊上金属引线，接通负载，则外电路便有电流通过。如此形成的一个个电池元件，把它们串联、并联起来，就能产生一定的电压和电流，输出功率。 太阳能发电原理图如下：
技术方案 太阳能电池的分类 （一）单晶硅太阳能电池 单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15%左右，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，但制作成本很大，以致于它还不能被大量广泛和普遍地使用。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，使用寿命一般可达15年，最高可达25年。 （二）多晶硅太阳能电池 多晶硅太阳能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，其光电效率约12%左右（2004年7月1日日本夏普上市效率为14.8%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。 （三）非晶硅太阳能电池 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，目前国际先进水平为10%左右，且不够稳定，随着时间的延长，其转换效率衰减。
（四）多元化合物太阳电池 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。现在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效率为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），其光电转化效率比目前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。 工艺技术方案 根据产品方案，本项目主要生产工艺的流程采用国内较为成熟的工艺路线，基本上是从硅片的开箱检测与装盒开始，然后在加工车间去除油污及制裁、扩散制作表面PN结然后检测、等离子体刻蚀周边PN结及抽测效果、二次清洗，然后在表面处理车间完成制备薄膜减反射层、印刷背面电极、背电场、正面电极，然后经过高温烧结，最后经检测车间检测合格后入库。太阳能电池硅片生产工艺流程图如下：
太阳能电池组件技术协议书 项目名称：内蒙古鑫盛太阳能科技有限公司 项目地点：内蒙古呼和浩特市、乌兰察布市 需方：内蒙古电力勘测设计院有限责任公司供方：内蒙古太格新能源有限公司 签订日期：2015年7月3日
需方：内蒙古电力勘测设计院有限责任公司 住所地：呼和浩特市锡林南路21号 法定代表人：王治国 供方：内蒙古太格新能源有限公司住，住所地：呼和浩特市赛罕区新桥靠 法定代表人：高兴 根据《中华人民共和国合同法》等相关法律法规，供方和需方（以下简称“双方”）本着诚实信用、平等互利的原则，经友好协商，于二零一五年六月日在呼和浩特市就多晶太阳能组件（以下简称“货物”）的购销事宜，签订本技术协议，内容如下： 一.供货范围 1.1．包各电站组件配置表（光伏组件要求：255Wp/每片） 二、基本性能要求 2.1.总则
2.1.1.本技术规范书适用光伏电站项目之晶体硅太阳能光伏组件采购供货项目。 2.1.2.本技术规范书提出的为最低限度的要求，并未对一切细节做出规定，也未充分引述有关标准和规范的条文。供货方应保证提供符合本技术规范书和有关最新工业标准的优质产品。 2.1. 3.本技术规范书所使用的标准如与供货方所执行的标准发生矛盾时，按较高标准执行。 2.1.4.本技术规范书经双方签字认可后作为订货合同的附件，与合同正文具有同等效力。2.1.5.在签定技术协议之后，需方保留对本规范书提出补充要求和修改的权利，供方应允诺予以配合。如提出修改，具体项目和条件由供、需双方商定。 2.1.6.产品必须通过金太阳认证。 2.2.标准和规范 供货设备应符合本技术条款的要求，本技术规范未作规定的要求按照下述标准执行。除本规范对标准和规范另有规定，供货项下所使用和提供的所有设备、器件、材料和所有设计计算及试验应根据以下最新版本的标准和规程、或经批准的其他标准或同等的适用于制造国的其他相关标准。如提供的设备或材料不符合如下标准，其建议标准和以下标准之间的所有详细区别应予以说明，供方应就其可能影响设备设计或性能内容的标准用中文文本提供给供货人，供其批准。 （1）国际电工委员会标准： IEC 61215-2005 《地面用晶体硅光伏组件设计鉴定和定型》 IEC 61345-1998 《太阳电池组件的紫外试验》 IEEE 1262-1995 《太阳电池组件的测试认证规范》 （2）国家标准： GB2297-1989 《太阳光伏能源系统术语》 GB6497-1986 《地面用太阳电池标定的一般规定》 GB 6495.1-1996 《光伏器件第1部分：光伏电流－电压特性的测量》 GB 6495.2-1996 《光伏器件第2部分：标准太阳电池的要求》 GB 6495.3-1996 《光伏器件第3部分：地面用光伏器件的测量原理及标准光谱辐照度数据》GB 6495.4-1996 《晶体硅光伏器件的I-V实测特性的温度和辐照度修正方法》 GB 6495.5-1997 《光伏器件第5部分：用开路电压法确定光伏(PV)器件的等效电池温度(ECT)》 GB 6495.7-2006 《光伏器件第7部分：光伏器件测量过程中引起的光谱失配误差的计算》
专题介绍 有机太阳能电池研究进展 X 林 鹏,张志峰,熊德平,张梦欣,王 丽 (北京交通大学光电子技术研究所,信息存储、显示与材料开放实验室,北京,100044) 摘 要:有机太阳能电池与无机太阳能电池相比,还存在许多关键性问题。为了改善有机太阳能电池的性能,各种研究工作正在进行,这些研究主要是为了寻找新的材料,优化器件结构。对电池原理、部分表征方法、效率损失机制、典型器件结构、最近的发展、以及未来的发展趋势作了简要描述。 关键词:有机太阳能电池;器件结构;给体;受体;转换效率 中图分类号:T N 383 文献标识码:A 文章编号:1005-488X(2004)01-0055-06 Progres s in Study of Organic Sola r Ce ll LIN Peng ,ZHANG Zhi -feng ,XIONG De -ping ,ZHANG Meng -xin ,WANG Li (I nstitute of O p toelectronics T echnology ,Beij ing J iaotong University ,Beijing ,100044,China )Abstr act :Compaer ed with inorganic solar cells ,organic solar cells still have many critical pr oblems.In order to improve the properties of organic solar cells,a lot of different studies have been carried on.T he main purposes of these studies are to seek new mater ials and new device structure.A brief review of the theory of photovoltaic cells,along with some aspects of their characterization ,the basic efficiency loss mechanism ,typical device structures ,and the trends in research will be presented. Key wor ds :organic photovoltaic cell;device structure;donor;acceptor ;conversion effi-ciency 前 言 进入21世纪以来,由于煤、石油、天然气等自然资源有限,已经不能满足人类发展的需要。环境污染也已经成为亟待解决的严重问题。同使用矿物燃料发电相比,太阳能发电有着不可比拟的优点。 太阳能取之不尽,太阳几分钟射向地球的能量相当 于人类一年所耗用的能量。太阳能的利用已经开始逐年增长。但目前使用的硅等太阳能电池材料,因成本太高,只能在一些特殊的场合如卫星供电、边远地区通信塔等使用。目前太阳能发电量只相当于全球总发电量的0.04%。要使太阳能发电得到大规模推广,就必须降低太阳能电池材料的成本,或 第24卷第1期2004年3月 光 电 子 技 术OPT OELECT RONIC T ECHNOLOGY Vol.24No.1 Mar.2004 X 收稿日期:2003-11-17 作者简介:林 鹏(1978-),男,硕士生。主要从事光电子技术研究。 张志峰(1977-),男,硕士生。主要从事有机电致发光(OLED)的研究工作。熊德平(1975-),男,硕士生。主要从事无机半导体材料方面的研究工作。
非晶硅太阳能电池研究毕 业论文 Final approval draft on November 22, 2020
非晶硅太阳能电池 赵准 （吉首大学物理与机电工程学院，湖南吉首 416000） 摘要：随着煤炭、石油等现有能源的频频告急和生态环境的恶化．使得人类不得不尽快寻找新的清洁能源和可再生资源。其中包括水能、风能和太阳能，而太阳能以其储量巨大、安全、清洁等优势使其必将成为21世纪的最主要能源之一。太阳是一个巨大的能源，其辐射出来的功率约为其中有被地球截取，这部分能量约有的能量闯过大气层到达地面，在正对太阳的每一平方米地球表面上能接受到1kw左右的能量。 目前分为光热发电和光伏发电两种形式。太阳能热发电是利用聚光集热器把太阳能聚集起来，将一定的工质加热到较高的温度（通常为几百摄氏度到上千摄氏度），然后通过常规的热机动发电机发电或通过其他发电技术将其转换成电能。光伏发电是利用界面的而将光能直接转变为电能的一种技术。目前光—电转换器有两种：一种是光—伽伐尼电池，另一种是光伏效应。由一个或多个太阳能电池片组成的太阳能电池板称为光伏组件，将光伏组件串联起来再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。因为光伏发电规模大小随意、能独立发电、建设时间短、维护起来也简单．所以从70年代开始光伏发电技术得到迅速发展，日本、德国、美国都大力发展光伏产业，他们走在了世界的前列，我国在光伏研究和产业方面也奋起直追，现在以每年20％的速度迅速发展。 关键词：光伏发电；太阳能电池；硅基太阳能电池；非晶硅太阳能电池
1.引言 1976年卡尔松和路昂斯基报告了无定形硅（简称a一Si）薄膜太阳电他的诞生。当时、面积样品的光电转换效率为2．4％。时隔20多年，a一Si太阳电池现在已发展成为最实用廉价的太阳电池品种之一。非晶硅科技已转化为一个大规模的产业，世界上总组件生产能力每年在50MW以上，组件及相关产品销售额在10亿美元以上。应用范围小到手表、计算器电源大到10Mw级的独立电站。涉及诸多品种的电子消费品、照明和家用电源、农牧业抽水、广播通讯台站电源及中小型联网电站等。a一Si太阳电池成了光伏能源中的一支生力军，对整个洁净可再生能源发展起了巨大的推动作用。非晶硅太阳电他的诞生、发展过程是生动、复杂和曲折的，全面总结其中的经验教训对于进一步推动薄膜非晶硅太阳电池领域的科技进步和相关高新技术产业的发展有着重要意义。况且，由于从非晶硅材料及其太阳电池研究到有关新兴产业的发展是科学技术转化为生产力的典型事例，其中的规律性对其它新兴科技领域和相关产业的发展也会有有益的启示。本文将追述非晶硅太阳电他的诞生、发展过程，简要评述其中的关键之点，指出进一步发展的方向。 2.太阳能电池概述 .太阳能电池原理 太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应把光能转化成电能的装置。太阳能电池以光电效应工作的结晶体太阳能电池和薄膜式太阳能电池为主流，而以光化学效应工作的湿式太阳能电池则还处于萌芽阶段。太阳能电池工作原理的基础是半导体PN结的光生伏特效应。所谓光生伏特效应就是当物体受到光照时，物 体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。 为了理解太阳能电池的运做，我们需要考虑材料的属性并且同时考虑太阳光的属性。太阳能电池包括两种类型材料，通常意义上的P型硅和N型硅。在纯净的硅晶体中，自由电子和空穴的数目是相等的。如果在硅晶体掺杂了能俘获电子的硼、铝、镓、铟等杂质元素，那么就构成P型半导体。如果在硅晶体面中掺入能够释放电子的磷、砷、锑等杂质元素，那么就构成了N型半导体。若把这两种半导体结合在一起，由于电子和空穴的扩散，在交接面处便会形成PN结，并在结的两边形成内建电场。太阳光照在半导体 p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由n 区流向p区，电子由p区流向n 区，接通电路后就形成电流。这就是光电效应，也是太阳能电池的工作原理。 太阳能电池种类 太阳能电池的种类有很多，按材料来分，有硅基太阳能电池（单晶，多晶，非晶），化合物半导体太阳能电池（砷化镓（GaAs），磷化铟（InP），碲化镉（CdTe）, 铜铟镓硒（CIGS）），有机聚合物太阳能电池(酞青，聚乙
单晶硅太阳能电池/DSSC/PERC技术 2015-10-20 单晶硅太阳能电池 2.太阳能电池片的化学清洗工艺切片要求：①切割精度高、表面平行度高、翘曲度和厚度公差小。②断面完整性好，消除拉丝、刀痕和微裂纹。③提高成品率，缩小刀(钢丝)切缝，降低原材料损耗。④提高切割速度，实现自动化切割。 具体来说太阳能硅片表面沾污大致可分为三类： 1、有机杂质沾污：可通过有机试剂的溶解作用，结合兆声波清洗技术来去除。 2、颗粒沾污：运用物理的方法可采机械擦洗或兆声波清洗技术来去除粒径≥ 0.4 μm颗粒，利用兆声波可去除≥ 0.2 μm颗粒. 3、金属离子沾污：该污染必须采用化学的方法才能将其清洗掉。硅片表面金属杂质沾污又可分为两大类：（1）、沾污离子或原子通过吸附分散附着在硅片表面。（2）、带正电的金属离子得到电子后面附着（尤如“电镀”）到硅片表面。 1、用 H2O2作强氧化剂，使“电镀”附着到硅表面的金属离子氧化成金属，溶解在清洗液中或吸附在硅片表面 2、用无害的小直径强正离子（如H+），一般用HCL作为H+的来源，替代吸附在硅片表面的金属离子，使其溶解于清洗液中，从而清除金属离子。 3、用大量去离子水进行超声波清洗，以排除溶液中的金属离子。由于SC-1是H2O2和NH4OH 的碱性溶液，通过H2O2的强氧化和NH4OH的溶解作用，使有机物沾污变成水溶性化合物，随去离子水的冲洗而被排除；同时溶液具有强氧化性和络合性，能氧化Cr、Cu、Zn、Ag、Ni、Co、Ca、Fe、Mg等，使其变成高价离子，然后进一步与碱作用，生成可溶性络合物而随去离子水的冲洗而被去除。因此用SC-1液清洗抛光片既能去除有机沾污，亦能去除某些金属沾污。在使用SC-1液时结合使用兆声波来清洗可获得更好的清洗效果。另外SC-2是H2O2和HCL的酸性溶液，具有极强的氧化性和络合性，能与氧化以前的金属作用生成盐随去离子水冲洗而被去除。被氧化的金属离子与CL-作用生成的可溶性络合物亦随去离子水冲洗而被去除。 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。 生产电池片的工艺比较复杂，一般要经过硅片检测、表面制绒、扩散制结、去磷硅玻璃、等离子刻蚀、镀减反射膜、丝网印刷、快速烧结和检测分装等主要步骤。本文介绍的是晶硅太阳能电池片生产的一般工艺与设备。 一、硅片检测硅片是太阳能电池片的载体，硅片质量的好坏直接决定了太阳能电池片转换效率的高低，因此需要对来料硅片进行检测。该工序主要用来对硅片的一些技术
E I I 圏&全暗吋太阳能电池在外加偏压吋的伏安特性测量电路之二 四、实验步骤 1 ?在没有光源(全黑)的条件下，测量太阳能电池施加正向偏压时的I ~ U特性，用实验测得的正向偏压时I ~ U关
系数据，画出I ~ U曲线并求得常数1和I。的值。 2?在不加偏压时，用白色光源照射，测量太阳能电池一些特性。注意此时光源到太阳能电池距离保持为20cm。 (1 )画出测量实验线路图。 (2)测量太阳能电池在不同负载电阻下，|对U变化关系，画出I ~ U曲线图。 (3)用外推法求短路电流| sc和开路电压U oc。 (4)求太阳能电池的最大输出功率及最大输出功率时负载电阻。 (5)计算填充因子［FF =P m/(l sc ?U°c)］。 五、实验数据和数据处理 1.在没有光源(全黑)的条件下，测量太阳能电池施加正向偏压时的I ~ U特性。 表1 图-(b)全暗情况下太阳能电池外加偏压时的伏安特性半对数曲线 二V ,丨0二mA，相关系数0.9996，电流与电压的指数关系得到验证。
2 ?在不加偏压时，用白色光源照射，测量太阳能电池一些特性。
图9恒定光强无偏压时太阳能电池输出功率与负载电阻关系曲线 太阳能电池的最大输出功率 P m 二 ，最大输出功率时负载电阻 R L 二 1. 2 I (inA) 3在恒定光照下太阳能电池不加偏压时的伏安特性曲线
填充因子[FF 二P m/(l sc ?U°c)]= = 。 六.实验结果 - V ' , I o = mA, 短路电流l sc= ,开路电压U OC=。 填充因子[FF =P m/(l sc ?U°c)]= 七.分析讨论(实验结果的误差来源和减小误差的方法、实验现象的分析、问题的讨论等) 八.思考题
CdS敏化太阳能电池性能研究 项目简介 申报意义： 面对能源的潜在危机和生态环境的不断恶化，基于能源及环境两方面的考虑，一种对环境友好的可再生能源的开发利用受到人们的关注。鉴于常规能源供给的有限性和环保压力的增加，太阳能是各种可再生能源中最重要最丰富的清洁能源，世界上许多国家掀起了开发利用太阳能的研究热潮。 采用无机半导体纳米粒子作为敏化纳晶薄膜太阳能电池的光敏剂具有明显的优点： 首先，无机半导体纳米粒子光吸性能可通过改变粒子尺寸来调节。而改变无机纳米半导体材料的尺寸小需要改变材料的化学组成，因此具有操作简单、方便的特点。 其次，无机半导体材料通常具有比有机染料分子更大的消光系数及更好的(光)化学稳定性。基于这些理论，无机半导体材料有望其成为一种可取代有机染料分予的光敏材料，而对无机纳米半导体敏化太阳能电池的研究对开发廉价有效的太阳能电池具有非常重要的意义。背景： 敏化太阳能电池是由一种通过在可见光区具有较强光吸收性能的有机或窄禁带无机半导体材料(敏化剂)吸收太阳光的光子能量后 将光生电荷转移到另一种宽禁带半导体材料，从而实现太阳能光电转换的光电转换太阳能电池系统。其中宽禁带半导体多为纳米多孔
Ti02。按照所用光敏化剂的种类不同，敏化太阳能电池可分为有机染料敏化太阳能电池和无机纳米材料敏化太阳能电池。 1991年，瑞士Gratzel研究小组研制出用羧酸联吡啶钌(II)染料敏化的Ti02纳米晶多孔膜的太阳能电池，称为Gratzel太阳能电池或染料敏化Ti02纳晶太阳能电池。目前，在染料敏化太阳能电池中普遍使用的，也是效率较好的敏化剂为钌的多联吡啶络台物系列染料。染料敏化纳米薄膜太阳能电池的制作方法简单，成本低，光电转换效率高，是目前广泛研究的太阳能电池系统。但可用作高效太阳能电池敏化剂的染料为数不多，许多染料在近红外区的吸收很弱，其吸收光谱不能与太阳光谱很好的匹配。因此大量的研究集中在合成能与太阳光谱很好的匹配的有机染料化合物。但新染料的合成通常需要比较复杂的合成及分离、提纯路线。 近年来，利用无机纳米半导体粒子作为光敏剂进行敏化纳晶太阳能电池的研究正在逐渐增多。已有的研究表明窄禁带半导体材料如PbS，CdS，CdSe，Ag2S，Sb2S3和Bi2S3等都可以用作敏化太阳能电池的光敏剂。 设想： CdS纳米半导体材料在太阳光可见区具有优良的光学吸收性能，而且其导带能级比Ti02的导带能级更负，因此当光激发CdS时产生的光生电子能有效地转移到Ti02的导带从而实现光生电子空穴的有效分离。同时CdS作为无机半导体材料还具有大的消光系数及优良的光化学 稳定性。因此CdS为一种优良的无机光敏剂材料。
单晶硅太阳能电池 1.基本结构 2.太阳能电池片的化学清洗工艺 切片要求：①切割精度高、表面平行度高、翘曲度和厚度公差小。②断面完整性好，消除拉丝、刀痕和微裂纹。③提高成品率，缩小刀(钢丝)切缝，降低原材料损耗。④提高切割速度，实现自动化切割。 具体来说太阳能硅片表面沾污大致可分为三类： 1、有机杂质沾污：可通过有机试剂的溶解作用，结合兆声波清洗技术来去除。 2、颗粒沾污：运用物理的方法可采机械擦洗或兆声波清洗技术来去除粒径≥ 0.4 μm颗粒，利用兆声波可去除≥ 0.2 μm颗粒。 3、金属离子沾污：该污染必须采用化学的方法才能将其清洗掉。硅片表面金属杂质沾污又可分为两大类：（1）、沾污离子或原子通过吸附分散附着在硅片表面。（2）、带正电的金属离子得到电子后面附着（尤如“电镀”）到硅片表面。
1、用 H2O2作强氧化剂，使“电镀”附着到硅表面的金属离子氧化成金属，溶解在清洗液中或吸附在硅片表面。 2、用无害的小直径强正离子（如H+），一般用HCL作为H+的来源，替代吸附在硅片表面的金属离子，使其溶解于清洗液中，从而清除金属离子。 3、用大量去离子水进行超声波清洗，以排除溶液中的金属离子。 由于SC-1是H2O2和NH4OH的碱性溶液，通过H2O2的强氧化和NH4OH 的溶解作用，使有机物沾污变成水溶性化合物，随去离子水的冲洗而被排除；同时溶液具有强氧化性和络合性，能氧化Cr、Cu、Zn、Ag、Ni、Co、Ca、Fe、Mg等，使其变成高价离子，然后进一步与碱作用，生成可溶性络合物而随去离子水的冲洗而被去除。因此用SC-1液清洗抛光片既能去除有机沾污，亦能去除某些金属沾污。在使用SC-1液时结合使用兆声波来清洗可获得更好的清洗效果。 另外SC-2是H2O2和HCL的酸性溶液，具有极强的氧化性和络合性，能与氧化以前的金属作用生成盐随去离子水冲洗而被去除。被氧化的金属离子与CL-作用生成的可溶性络合物亦随去离子水冲洗而被去除。 3.太阳能电池片制作工艺流程图 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。
太阳能电池的研究与发展 文献综述 摘要：能源是人类不可忽视的一个问题，因为它同我们的生活息息相关并且制约着未来经济的发展。面临非可再生能源被大规模地开采利用，其储量越来越少，总有枯竭之时这样一个现实问题，可再生能源显得尤为重要，因为可再生能源可以循环再生，不因长期使用而减少。而我国作为一个能耗大的国家，考虑到我国资源情况及国际环境和我国的环境状况，若到22世纪初不能用核能、太阳能等这些非化石能源代替化石能源，那么我们国家、我们民族的发展都会受到严重的影响。 太阳能具有环境友好、与之不尽用之不竭等特点，由此在可再生能源中的位置得以突显。而本文选择从光伏发电这个方面来说明太阳能电池的研究与发展。讲述了太阳能光伏发电的模式，输送方式及原理等。 关键词：太阳能；光伏发电；独立光伏发电；并网光伏发电；分布式光伏发电 1引言 能源是现今人类不得不考虑的一个重大问题，面临着严峻的能源形势和生态环境的恶化，人们对于绿色能源的需求显得迫切起来。改变现有能源结构、发展可持续发展的绿色能源已成为世界各国极为关注的课题。 化石燃料为不可再生能源，随着社会的进步与发展，人类对能源的需求量日益增大，所以化石燃料是无法满足的。除此之外，化石燃料煤、石油和天然气都是含碳元素的物质．其中还含硫元素等杂质。这些燃料燃烧时，会产生二氧化硫等污染空气的气体，燃料燃烧不充分，会产生一氧化碳和碳粒，加上未燃烧的碳氢化合物，如果直接排放到空气中必然对空气造成污染。因此，对于可再生能源的概念中最重要的要保证两点：第一，要求提供的可再生能源的源头是巨大的、无限制的。第二，从整体技术效率而言，要有明显的安全保障性。从这两点出发，显现了太阳能的利用在可再生能源中领域中的重要地位。 太阳能发电分光热发电和光伏发电。但不论产销量、发展速度和发展前景、光热发电都赶不上光伏发电。光伏发电设备极为精炼，可靠稳定寿命长、安装维护简便。理论上讲，光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合，上至航天器，下至家用电源，大到兆瓦级电站，小到玩具，光伏电源可以无处不在。
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单晶硅太阳能电池
2.太阳能电池片的化学清洗工艺切片要求：①切割精度高、表面平行度高、翘曲度和厚度公差小。②断面完整性好，消除拉丝、刀痕和微裂纹。③提高成品率，缩小刀(钢丝)切缝，降低原材料损耗。④提高切割速度，实现自动化切割。 具体来说太阳能硅片表面沾污大致可分为三类： 1、有机杂质沾污：可通过有机试剂的溶解作用，结合兆声波清洗技术来去除。 2、颗粒沾污：运用物理的方法可采机械擦洗或兆声波清洗技术来去除粒径≥0.4 μm颗粒，利用兆声波可去除≥0.2 μm颗粒. 3、金属离子沾污：该污染必须采用化学的方法才能将其清洗掉。硅片表面金属杂质沾污又可分为两大类：（1）、沾污离子或原子通过吸附分散附着在硅片表面。（2）、带正电的金属离子得到电子后面附着（尤如“电镀”）到硅片表面。 1、用H2O2作强氧化剂，使“电镀”附着到硅表面的金属离子氧化成金属，溶解在清洗液中或吸附在硅片表面 2、用无害的小直径强正离子（如H+），一般用HCL作为H+的来源，替代吸附在硅片表面的金属离子，使其溶解于清洗液中，从而清除金属离子。 3、用大量去离子水进行超声波清洗，以排除溶液中的金属离子。由于SC-1是H2O2和NH4OH的碱性溶液，通过H2O2的强氧化和NH4OH的溶解作用，使有机物沾污变成水溶性化合物，随去离子水的冲洗而被
排除；同时溶液具有强氧化性和络合性，能氧化Cr、Cu、Zn、Ag、Ni、Co、Ca、Fe、Mg等，使其变成高价离子，然后进一步与碱作用，生成可溶性络合物而随去离子水的冲洗而被去除。因此用SC-1液清洗抛光片既能去除有机沾污，亦能去除某些金属沾污。在使用SC-1液时结合使用兆声波来清洗可获得更好的清洗效果。另外SC-2是H2O2和HCL的酸性溶液，具有极强的氧化性和络合性，能与氧化以前的金属作用生成盐随去离子水冲洗而被去除。被氧化的金属离子与CL-作用生成的可溶性络合物亦随去离子水冲洗而被去除。 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。 生产电池片的工艺比较复杂，一般要经过硅片检测、表面制绒、扩散制结、
太阳能电池的研究现状及发展 【摘要】近年来随着人们对环境的重视，对新能源的需要变得越来越大，太阳能成为新型能源将被广泛应用。黄铁矿结构的二硫化铁（FeS2）是一种具有合适的禁带宽度（Eg≈0.95eV）和较高光吸收系数（当λ≤700nm时，α=5×105cm-1）的半导体材料，而且其组成元素在地球上储量丰富、无毒，有很好的环境相容性。因此，FeS2薄膜在光电子以及太阳能电池材料等方面有潜在的应用前景，受到人们的广泛关注。本文从不同制备方法所制备出的二硫化铁薄膜的研究结果，来分析二硫化铁薄膜的研究状况。 【关键词】能源;二硫化铁;制备方法;光电性能 1.引言 太阳能电池自1954年由诺贝尔实验室和RCA公司几位杰出的科学家发明问世以来，由于地球变暖现象的日益严重，世界各国对二氧化碳的排放量均采取严格的管制，再加上石油匮乏，40年后将消耗殆尽，其价格持续攀升，这些因素都促成了对代替能源的重视与需求，也激发了太阳能产业的蓬勃发展。 太阳是一座聚合核反应器，它一刻不停地向四周空间放射出巨大的能量。它的发射功率为3.865×1026J/S（相当于烧掉1.32×1016ton标准煤释放出来的能量）。地球大气表层所接收的能量仅是其中的22亿分之一，但是地球一年接收的太阳的总能量却是现在人类消耗能源的12000倍。另外，根据文献记载太阳的质量为1.989×1030kg，根据爱因斯坦相对论（E=mc2）可以计算出太阳上氢的含量足够维持800亿年。而由地质资料得出的地球年龄远远小于这个数字。因此可以说太阳能是取之不尽、用之不竭的[1-3] 2.太阳能电池 太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。以光电效应工作的薄膜式太阳能电池为主流，而以光化学效应工作的湿式太阳能电池则还处于萌芽阶段。 2.1 太阳能电池发展 目前，太阳能电池产品是以半导体为主要材料的光吸收材料，在器件结构上则使用P型与N型半导体所形成的PN结产生的内电场，从而分离带负电荷的电子与带正电荷的空穴而产生电压。由于晶体硅材料与器件在技术的成熟度方面领先于其他半导体材料，最早期的太阳能电池极为晶体硅制成，直到近几年晶体硅太阳能电池仍有大约90%的市场占有率。除了技术与投资门槛较低以外，不用担心硅原料匮乏等都是造成其市场占有率高的主因。 在晶体硅太阳能电池之后，大约从1980年起开始有非晶硅薄膜太阳能电池
太阳能电池研究进展 随着化石能源的逐渐枯竭及其利用过程中所产生的环境恶化，人类迫切需要寻求对环境友好的可再生能源。太阳能是目前最具前景的新型能源，取之不尽，用之不竭，而且太阳能的使用不会对生态环境造成破坏，是一种安全无污染的可再生能源。太阳能的利用成本也很低，并且太阳能的使用不受地里条件的限制。太阳能的利用形式多种多样，比较典型的有光热转换和光电转换。而在太阳能的有效利用中太阳能的光电利用可将太阳能直接转换为电能，被认为是最有效的利用太阳能的方式，也是今年来发展最快，最具活跃的领域[1,2,3]。因此太阳能电池的开发和研制也就日益得到科学家们的重视。 制造太阳能电池主要是以半导体材料为基础，其工作原理是利用光电材料吸收光能后发生的光电子转移反应，根据制造太阳能电池所用的材料的不同，太阳能电池可以分为：硅太阳能电池；以无机盐如砷化镓Ⅲ-Ⅴ化合物，硫化镉，铜铟硒等多元化合物为材料的无机盐太阳能电池；纳米晶太阳能电池等。硅是一种良好的半导体材料，储量丰富，是地球上储存量第二大的元素，而且性能稳定、无毒，因此成为太阳能电池研究开发、生产和应用中的主体材料。本文主要介绍了硅太阳能电池的种类，研究现状及其应用前景，并探讨了硅太阳能电池的发展趋势。 第一代硅太阳能电池 1954年美国贝尔实验室研制出了第一块晶体硅太阳能电池，开始了利用太阳能发电的新纪元[15]，不久后应用于人造卫星，宇宙飞船等航空航天领域。而现在硅太阳能电池占到了整个太阳能电池产量的90%以上，硅太阳能电池是最重要也是技术最成熟的太阳能电池。近年来随着新技术的不断应用，硅太阳能电池的转换效率提高较快。 单晶硅太阳能电池 在硅太阳能电池的发展初期，由于单晶硅的价格过于昂贵，人们一度认为单晶硅太阳能电池会逐渐淡出地面应用太阳能电池市场。但是随着太阳能电池的薄
太阳能电池性能的研究 目前能源的重要性越来越被人们所重视，由于煤、石油、天然气等主要能源的大量消耗，能源危机已经成为世界关注的问题。为了可持续性发展，人们大量开发了诸如风能、水能等清洁能源，其中以太阳能电池作为绿色能源的开发前景较大。本实验仪器旨在提高学生对太阳能电池基本特性的认识、学习和研究。 一、 实验目的 （1） 了解太阳能电池的工作原理及性能； （2） 学习太阳能电池性能的测量与研究方法。 二、 实验仪器 LB-SC 太阳能电池实验仪、太阳能电池板、连线若干、60W 白炽灯、挡板。 三、 实验原理 太阳能电池又叫光伏电池，它能把外界的光转为电信号或电能。实际上这种太阳能电池是由大面积的PN 结形成的，即在N 型硅片上扩散硼而形成的P 型层，并用电极引线把P 型和N 型层引出，形成正负电极。为防止表面反射光，提高转换效率，通常在器件受光面上进行氧化，形成二氧化硅保护膜。 短路电流和开路电压是太阳能电池的两个非常重要的工作状态，它们分别对应于负载电阻0L R =和L R =∞的情况。在黑暗状态下太阳能电池在电路中就如同二极管。因此本实验要测量出太阳能电池在光照状态下的短路电流I sc 和开路电压U oc ，最大输出功率P M 和填充因子FF 以及在黑暗状态下的伏安特性。在U = 0情况下，当太阳能电池外接负载电阻L R 时，其输出电压和电流均随L R 变化而变化。只有当L R 取某一定值时输出功率才能达到最大值 m P ，即所谓最佳匹配阻值LB L R R =，而LB R 则取决于太阳能电池的内阻SC OC i I U R = 。由于U oc 和SC I 均随光照强度的增强而增大，所不同的是U oc 与光强的对数成正比， SC I 与光强(在弱光下)成正比 ，所以i R 亦随光强度变化而变化。U oc 、SC I 和i R 都是太阳能电池的重要参数。最大输出功率m P 与U oc 和SC I 乘积之比，可用下式表示
太阳能电池的研究现状及发展趋势 摘要：太阳能电池的利用可为人类社会提供可再生的清洁能源。综述了太阳能电池的研究现状, 从材料、工艺与转换效率等方面讨论了它们的优势和不足之处, 并对太阳能电池的发展趋势进行了预测。 关键词：太阳能太阳能电池发展趋势 前言 随着煤、石油等一次性能源的逐渐枯竭及对环境的恶化影响，人类迫切需求对环境友好的可再生能源。目前，太阳能电池由于制造成本高、光电转换效率低，因而其应用受到了限制，但其优点及化石能源的枯竭又促使人们不断地寻找低成本、高效率的太阳能电池材料。 太阳能电池的研究现状 太阳能电池由材料分类大致可分为4类:硅太阳能电池;多元化合物薄膜太阳能电池;有机物太阳能电池;纳米晶太阳能电池。 目前研究和应用最广泛的太阳能电池主要是单晶硅、多晶硅和非晶硅电池。硅太阳能电池中以单晶硅太阳能电池转换效率最高,技术也最为成熟。单晶硅电池己十分成熟,效率高,寿命长,在大规模应用和工业生产中,单晶硅太阳能电池占据主导地位。单晶硅电池的最高效率已达到24.4%,而多晶硅电池的效率也已达到19.8%。但是硅电池生产工艺比较复杂,需要高温(400～2000)和高真空条件,这导致其制造成本较高;同时其成熟的技术使光电转换效率已基本达到极限值,而且其材料本身不利于降低成本。开发太阳能电池的两个关键是:提高转换效率和降低成本。由于非晶硅薄膜成本低,便于大量生产,受到普遍重视并得到迅速发展。目前非晶硅太阳能电池的研究取得两大进展:3叠层结构非晶硅太阳能电池转换效率达到13%,创下新的记录;3叠层太阳能电池年生产能力达5MW。非晶硅太阳能电池由于具有较高的转换效率和较低的成本及质量轻等特点,有着极大的潜力。 多元化合物薄膜太阳能电池主要有砷化镓(GaAs)电池、碲化镉(CdTe)电池、硫化镉(CdS)电池和铜铟硒(CuInSe2)薄膜电池。砷化镓及铜铟硒薄膜电池由于具有较高的转换效率受到人们的普遍重视。在多元化合物薄膜太阳能电池中,由于GaAs电池的原料价格昂贵,且不易制备;而CdTe电池含有危险的重金属元素,对环境保护不利,并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代。 以聚合物代替无机材料是太阳能电池制造的方向。其原理是利用不同氧化还原型聚合物的不同氧化还原电势,在导电材料(电极)表面进行多层复合,制成类似无机pn结的单向导电装置。其中一个电极的内层由还原电位较低的聚合物修饰,外层聚合物的还原电位较高,电子转移方向只能由内层向外层转移;另一个电极的修饰正好相反,并且第一个电极上两种聚合物的还原电位均高于后者的两种聚合物的还原电位。当两个修饰电极放入含有光敏化剂的电解液中时。光敏化剂吸光
太阳能光伏组件典型技术参数 型号。一般由生产厂家自行制定。 光伏组件光电转换效率为10％、11%、12％、13％、14％、15％、16％等。 尺寸结构。光伏组件大小与结构各有不同。 使用黏合胶体类型：标称胶体类型。 电气参数。光伏组件电气参数有标称输出功率、峰值电压、峰值电流、短路电流、开路电压、系统电压。串联电阻r s和并联电阻r sh 温度范围：标称温度使用范围。 功率误差范围（±%）：标称级别。 承受冰雹能力：标称级别。 接线盒。接线盒的参数有电气参数、防护等级、连接线长度等参数。 典型产品技术参数。 20W（M-多晶硅）参数表 组件系列20W（M-多晶硅） 规格4W 5W 10W 20W 开路电压（ OC V/V）21.3 21.3 21.3 21.3 短路电流（ OC I/A）0.26 0.31 0.65 1.3 最大功率电压（ mp V/V）17.2 17.2 17.2 17.2 最大功率电流（ mp I/A）0.24 0.30 0.59 1.17 峰值功率（ P P/W） 4 5 10 20 填充因子（FF）>72% 实际光转换效率（η）11% 12.8% 14% 14.3% 外形尺寸（mm）336×156×26 536×246×26 615×280×26 安装孔尺寸（mm）208× 112 208×112 330×202 379×232 安装孔径（mm）Φ6 Φ6 Φ6 Φ6
重量（kg）0.5 1.6 2.23 除以上参数外，常用的参数还有细胞类型、细胞数目、电池工作温度范围、通过认证、质量等级标准等参数。 常见的组件系列还有50W（M-多晶硅/S-单晶硅）、80W（M-多晶硅/S-单晶硅）、120W（M-多晶硅/S-单晶硅）、160W（M-多晶硅/S-单晶硅）、140W（M-多晶硅/S-单晶硅）、150W（M-多晶硅/S-单晶硅）等系列。 组件参数的测试环境和条件如下表所示： 标准测试条件：AM1.5，辐照度1000W/㎡，环境温度25℃电池温度25℃边框接地电阻≤10Ω 绝缘测试电压3000V 迎风压强2400 P a 即以上组件参数均要在此条件下测试所得。 质量等级标准 根据国内电子行业标准SJ/T9550.30-1993规定，结合GB 6495、GB 6497、GB/T14007、SJ/T9550.30-1993中的相关规定，地面用晶体硅太阳能电池组件质量等级标准如下： 优等品标准：外观尺寸符合详细规范规定，美观、无缺陷；AM1.5转换效率不低于9.0%。 一等品标准：外观尺寸符合详细规范规定；AM1.5转换效率不低于8.0%。 合格品标准：外观尺寸符合现行标准。 伏电池、组件输出功率和转换效率的换算方法 PV001光伏网资讯频道2010-04-13 14:49:48阅读：939我要投稿手机看新闻 光伏电池片和组件的转换效率是由其输出功率和面积大小决定的。同输出功率的，面积越大，转换效率越低；同样面积的，输出功率越高，转换效率越高。这三者之间满足简单的换算关系。现介绍如下： 提供两种换算光伏组件转换效率的方法如下： 1、光伏电池、组件光电转换效率=（带负载测得的电压*电流）/当时测量的条件下的辐照强度值。 （非晶一般为6%，单晶一般为14%，多晶一般为13%） 2、光伏电池、组件光电转换效率=输出功率/（组件长*宽*1000）