高一化学 专题2 第四单元 太阳能电池的类型素材 苏教版
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太阳能电池
太阳能光伏电池( 简称光伏电池)用于把太阳的光能直接转化为电能。目前世界各国正在
研究的太阳电池主要有单晶硅、多晶硅、非晶硅太阳电池。在能量转换效率和使用寿命等综
合性能方面,单晶硅和多晶硅电池优于非晶硅电池。多晶硅比单晶硅转换效率略低,但价格
更便宜。另外,还有其它类型的太阳电池。
单晶硅太阳电池
单晶硅太阳电池是当前开发最快的一种太阳电池,它的结构和生产工艺已定型,产品已广泛
用于空间和地面。这种太阳电池以高纯的单晶硅棒为原料,纯度要求 99.999% 以上。为了
降低生产成本,现在地面应用的太阳电池等采用太阳能级的单晶硅棒,材料性能指标有所放
宽。有的也可使用半导体器件加工的头尾料和废次单晶硅材料,经过复拉制成太阳电池专用
的单晶硅棒。单晶硅太阳电池的单体片制成后,经过抽查检验,即可按需要的规格组装成太
阳电池组件,用串联和并联的方法构成一定的输出电压和电流。
多晶硅太阳电池
目前太阳电池使用的多晶硅材料,多半是含有大量单晶颗粒的集合体,或用废次单晶硅材料
和冶金级硅材料熔化浇铸而成,然后注入石墨铸模中,待慢慢凝固冷却后,即得多晶硅锭。
这种硅锭可铸成立方体,以便切片加工成方形太阳电池片,可提高材料利用率和方便组装。
多晶硅太阳电池的制作工艺与单晶硅太阳电池差不多,其光电转换效率在 12% 左右,稍低
于单晶硅太阳电池,但其材料制造简便,电耗低,总的生产成本较低,因此得到广泛应用。
非晶硅太阳电池
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,硅材料消耗很少,电耗更低,非常吸引人。非晶硅太阳电池的结构各有不
同,其中有一种较好的结构叫 PiN 电池,它是在衬底上先沉积一层掺磷的 N 型非晶硅,
再沉积一层未掺杂的 i 层,然后再沉积一层掺硼的 P 型非晶硅,最后用电子束蒸发一层减
反射膜,并蒸镀银电极。此种制作工艺,可以采用一连串沉积室,在生产中构成连续程序,
以实现大批量生产。同时,非晶硅太阳电池很薄,可以制成叠层式,或采用集成电路的方法
制造,在一个平面上,用适当的掩模工艺,一次制作多个串联电池,以获得较高的电压。现
在日本生产的非晶硅串联太阳电池可达 2.4 伏。非晶硅太阳电池存在的问题是光电转换率
偏低,且不够稳定,所以尚未大量用作大型太阳能电源,多半用于如袖珍式电子计算器、电
子钟表及复印机等产品。
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,虽然大多数尚未工业化生产,但预示着光电转换的满园春色。主要有硫化镉太阳电池、
砷化镓太阳电池、铜铟硒太阳电池几种。
聚光太阳电池
聚光是降低太阳电池利用总成本的一种措施。通过聚光器使较大面积的阳光聚在一个较小的
范围内,形成“焦斑”或“焦带”,并将太阳电池置于“焦斑”或“焦带”上,以增加光强,
克服太阳辐射能流密度低的缺陷,从而获得更多的电能输出。通常聚光器的倍率大于几十,
其结构可采用反射式或透镜式。聚光器的跟踪一般用光电自动跟踪。散热方式可以是气冷或
水冷,有的与热水器结合,既获得电能,又得到热水。用于聚光太阳电池的单体,与普通太
阳电池略有不同,因需耐高倍率的太阳辐射,特别是在较高温度下的光电转换性能要得到保
证,故在半导体材料选择、电池结构和栅线设计等方面都要进行一些特殊考虑。最理想的材
料是砷化镓,其次是单晶硅材料。在电池结构方面,普通太阳电池多用平面结构,而聚光太
阳电池常采用垂直结构,以减少串联电阻的影响。同时,聚光电池的栅线也较密,典型的聚
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光电池的栅线约占电池面积的 10% ,以适应大电流密度的需要。
太阳能发电原理
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。太阳能电池板的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本。
(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:在很多场合,都需要提供220VAC、110VAC的交流电源。由于太阳能的直
接输出一般都是12VDC、24VDC、48VDC。为能向220VAC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。在某些场合,
需要使用多种电压的负载时,也要用到DC-DC逆变器,如将24VDC的电能转换成5VDC
的电能(注意,不是简单的降压)。