太陽能電池板的應(yīng)用

太陽能電池簡介1．太陽能概況太陽能是各種可再生能源中最重要的基本能源，生物質(zhì)能、風(fēng)能、海洋能、水能等都來自太陽能，廣義地說，太陽能包含以上各種可再生能源。太陽能作為可再生能源的一種，則是指太陽能的直接轉(zhuǎn)化和利用。通過轉(zhuǎn)換裝置把太陽輻射能轉(zhuǎn)換成熱能利用的屬于太陽能熱利用技術(shù)，再利用熱能進行發(fā)電的稱為太陽能熱發(fā)電，也屬于這一技術(shù)領(lǐng)域；通過轉(zhuǎn)換裝置把太陽輻射能轉(zhuǎn)換成電能利用的屬于太陽能光發(fā)電技術(shù)，光電轉(zhuǎn)換裝置通常是利用半導(dǎo)體器件的光伏效應(yīng)原理進行光電轉(zhuǎn)換的，因此又稱太陽能光伏技術(shù)。二十世紀50年代，太陽能利用領(lǐng)域出現(xiàn)了兩項重大技術(shù)突破：一是1954年美國貝爾實驗室研制出6％的實用型單晶硅電池，二是1955年以色列Tabor提出選擇性吸收表面概念和理論并研制成功選擇性太陽吸收涂層。這兩項技術(shù)突破為太陽能利用進入現(xiàn)代發(fā)展時期奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。太陽能電池的特性：太陽能電池是一個巨大的PN結(jié)，它把太陽能轉(zhuǎn)換為電能，對于單片太陽能電池來說，它是一個小的PN結(jié)，除了當太陽光照射在上面時，它能夠產(chǎn)生電能外，它還具有PN結(jié)的一切特性。在標準光照條件下，它的額定輸出電壓為0.48V。在太陽能照明燈具使用中的太陽能電池組件都是由多片太陽能電池連接構(gòu)成的。它具有負的溫度系數(shù)，溫度每上升一度，電壓下降2mV。對于多片太陽能電池組成的太陽能電池組件，太陽能電池一般都如下參數(shù)：Isc是短路電流，Im是峰值電流，Voc是開路電壓。Vm是峰值電壓，Pm是峰值功率。在使用中，太陽能電池開路或者短路都不會造成損壞，實際上我們也正是利用它的這個特性對系統(tǒng)蓄電池充放電進行控制的。太陽能電池的選擇：我們所說的太陽能電池輸出功率Wp是標準太陽光照條件下，即：歐洲委員會定義的101標準，輻射強度1000W/m2，大氣質(zhì)量AM1.5，電池溫度25℃條件下，太陽能電池的輸出功率。這個條件大約和平時晴天中午前后的太陽光照條件差不多，（在長江下游地區(qū)只能接近這個數(shù)值）這并不象有些人想象的那樣，只要有陽光就會有額定輸出功率，甚至認為太陽能電池在夜晚日光燈下也可以正常使用。這就是說，太陽能電池的輸出功率是隨機的，在不同的時間，不同的地點，同樣一塊太陽能電池的輸出功率是不同的。2．光伏效應(yīng)光生伏特效應(yīng)簡稱為光伏效應(yīng)，指光照使不均勻半導(dǎo)體 或半導(dǎo)體與金屬組合的不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。太陽能電池是一種近年發(fā)展起來的新型的電池。太陽能電池是利用光電轉(zhuǎn)換原理使太陽的輻射光通過半導(dǎo)體物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N器件，這種光電轉(zhuǎn)換過程通常叫做“光生伏打效應(yīng)”，因此太陽能電池又稱為“光伏電池”，用于太陽能電池的半導(dǎo)體材料是一種介于導(dǎo)體和絕緣體之間的特殊物質(zhì)，和任何物質(zhì)的原子一樣，半導(dǎo)體的原子也是由帶正電的原子核和帶負電的電子組成，半導(dǎo)體硅原子的外層有4個電子，按固定軌道圍繞原子核轉(zhuǎn)動。當受到外來能量的作用時，這些電子就會脫離軌道而成為自由電子，并在原來的位置上留下一個“空穴”，在純凈的硅晶體中，自由電子和空穴的數(shù)目是相等的。如果在硅晶體中摻入硼、鎵等元素，由于這些元素能夠俘獲電子，它就成了空穴型半導(dǎo)體，通常用符號P表示；如果摻入能夠釋放電子的磷、砷等元素，它就成了電子型半導(dǎo)體，以符號N代表。若把這兩種半導(dǎo)體結(jié)合，交界面便形成一個P－N結(jié)。太陽能電池的奧妙就在這個“結(jié)”上，P－N結(jié)就像一堵墻，阻礙著電子和空穴的移動。當太陽能電池受到陽光照射時，電子接受光能，向N型區(qū)移動，使N型區(qū)帶負電，同時空穴向P型區(qū)移動，使P型區(qū)帶正電。這樣，在P－N結(jié)兩端便產(chǎn)生了電動勢，也就是通常所說的電壓。這種現(xiàn)象就是上面所說的“光生伏打效應(yīng)”。如果這時分別在P型層和N型層焊上金屬導(dǎo)線，接通負載，則外電路便有電流通過，如此形成的一個個電池元件，把它們串聯(lián)、并聯(lián)起來，就能產(chǎn)生一定的電壓和電流，輸出功率。制造太陽電池的半導(dǎo)體材料已知的有十幾種，因此太陽電池的種類也很多。目前，技術(shù)最成熟，并具有商業(yè)價值的太陽電池要算硅太陽電池。太陽能電池就是利用光伏效應(yīng)將太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能的一種裝置。常規(guī)太陽電池簡單裝置如左圖所示。當N型和P型兩種不同型號的半導(dǎo)體材料接觸后，由于擴散和漂移作用，在界面處形成由P型指向N型的內(nèi)建電場。當光照在太陽電池的表面后，能量大于禁帶寬度的光子便激發(fā)出電子和空穴對，這些非平衡的少數(shù)載流子在內(nèi)電場的作用下分離開，在電池的上下兩極累積，這樣電池便可以給外界負載提供電流。3．晶硅太陽電池向高效化和薄膜化方向發(fā)展單晶硅高效電池單晶硅高效電池的典型代表是斯但福大學(xué)的背面點接觸電池（PCC），新南威爾士大學(xué)（UNSW）的鈍化發(fā)射區(qū)電池（PESC，PERC，PERL以及德國Fraumhofer太陽能研究所的局域化背表面場（LBSF）電池等。新南威爾士大學(xué)高效電池；斯但福大學(xué)的背面點接觸電池（PCC）德國Fraunhofer太陽能研究所的深結(jié)局部背場電池（LBSF）日本SHARP的C一Si／μc-Si異質(zhì)pp+結(jié)高效電池多晶硅高效電池多晶硅太陽電他的出現(xiàn)主要是為了降低成本，其優(yōu)點是能直接制備出適于規(guī)?；a(chǎn)的大尺寸方型硅錠，設(shè)備比較簡單，制造過程簡單、省電、節(jié)約硅材料，對材質(zhì)要求也較低。晶界及雜質(zhì)影響可通過電池加工工藝進行改善；由于材質(zhì)和晶界影響，電池效率較低。電池工藝主要采用吸雜、鈍化、背場等技術(shù)。常規(guī)鋁吸雜工藝是在電池的背面蒸鍍鋁膜后經(jīng)過燒結(jié)形成，也可同時形成電池的背場。近幾年在吸雜上的工作證明，它對高效單晶硅太陽電池及多晶硅太陽電池都會產(chǎn)生一定的作用。鈍化是提高多晶硅質(zhì)量的有效方法。一種方法是采用氫鈍化，鈍化硅體內(nèi)的懸掛鍵等缺陷。在晶體生長中受應(yīng)力等影響造成缺陷越多的硅材料，氫鈍化的效果越好。氫鈍化可采用離子注入或等離子體處理。在多晶硅太陽電池表面采用PECVD法鍍上一層氮化硅減反射膜，由于硅烷分解時產(chǎn)生氫離子，對多晶硅可產(chǎn)生氫鈍化的效果。在高效太陽電池上常采用表面氧鈍化的技術(shù)來提高太陽電他的效率，近年來在光伏級的晶體硅材料上使用也有明顯的效果，尤其采用熱氧化法效果更明顯。使用PECVD法在更低的溫度下進行表面氧化，近年來也被使用，具有一定的效果。近年來，太陽電池的光伏發(fā)電技術(shù)得到了世界各國的高度重視。從歐美的太陽能光伏“屋頂計劃”到我國的西部光伏發(fā)電項目以及“光明工程”。太陽能光伏發(fā)電已經(jīng)顯示了其強勁的發(fā)展勢頭。隨著光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展和低成本光伏組件的產(chǎn)業(yè)化，太陽能燈具、光伏電站和光伏戶用電源，均要求蓄電池供應(yīng)商能夠提供全天候運行的蓄電池，而目前光伏系統(tǒng)多采用閥控式密封鉛酸蓄電池（以下簡稱鉛酸蓄電池縮寫為VRLAB）膠體鉛酸蓄電池和免維護鉛酸蓄電池（不是VRLA蓄電池）作為儲能電源。耐候性是指蓄電池適應(yīng)自然環(huán)境的特性。本文主要討論自然環(huán)境下溫度對蓄電池壽命、容量的影響及解決方法，以及儲能鉛酸蓄電池選用。一、溫度對鉛酸蓄電池壽命的影響VRLA鉛酸蓄電池受溫度影響較大，按阿里紐斯原理，在大于40℃，溫度升高10度，壽命降低一倍，壽命終止的主要原因是：（一）硫酸電解液干涸；（二）熱失控；（三）內(nèi)部短路等。（一）硫酸電解液干涸：關(guān)鍵問題因素之一。酸液干涸將造成電池容量降低，甚至失效。造成電池干涸失效這一因素是鉛酸電池所特有的。酸液干涸的原因：（1）氣體再化合的效率偏低，析氫析氧、水蒸發(fā)；（2）從電池殼體內(nèi)部向外滲水；（3）控制閥設(shè)計不當；（4）充電設(shè)備與電池電壓不匹配，電池電壓過高、發(fā)熱、失水、干涸而失效。VRLA鉛酸蓄電池受到上述（1）（2）（3）（4）四種因素的影響，其中（2）（3）（4）三種因素引起的失水速度隨環(huán)境溫度的上升而加快，從而加速了鉛酸蓄電池以干涸方式失效。酸液干涸是影響VRLA鉛酸蓄電池壽命的致命因素，VRLA蓄電池不適于在35℃以上高溫條件下使用。熱失控：蓄電池在充放電過程中一般都產(chǎn)生熱量。充電時正極產(chǎn)生的氧到達負極，與負極的絨面鉛反應(yīng)時會產(chǎn)生大量的熱，如不及時導(dǎo)走就會使蓄電池溫度升高。蓄電池若在高溫環(huán)境下工作，其內(nèi)部積累的熱量就難以散發(fā)出去，就可能導(dǎo)致蓄電池產(chǎn)生過熱、水損失加劇，內(nèi)阻增大，更加發(fā)熱，產(chǎn)生惡性循環(huán)，逐步發(fā)展為熱失控，最終導(dǎo)致蓄電池失效。VRLA鉛酸蓄電池由于采用了貧液式緊裝配設(shè)計，隔板中保持著10%的孔隙酸液不能進入，因而電池內(nèi)部的導(dǎo)熱性極差，熱容量極小。VRLA鉛酸蓄電池之所以在高溫環(huán)境下易發(fā)生熱失控，是由于安全閥排出的氣體量太少，難以帶走電池內(nèi)部積累的熱量。熱失控的巨熱將使蓄電池殼體發(fā)生嚴重變形、脹裂、蓄電池徹底失效。內(nèi)部短路：由于隔膜物質(zhì)的降解老化穿孔，活性物質(zhì)的脫落膨脹使兩極連接，或充電過程中生成枝晶穿透隔膜等引起內(nèi)部短路。深放電之后的蓄電池，其吸附式隔板易出現(xiàn)鉛絨或彌散型沉淀，或形成枝晶，導(dǎo)致正負極板微短路。由于VRLA鉛酸蓄電池的負極冗余設(shè)計，充電的初、中期充電效率比正極板充電效率高，所以在正極板析氧之前，負極已生成足夠的絨面鉛，用于使氧進行再化合。在制作蓄電池過程中，以負極活性物質(zhì)的量作為控制因素，可以減緩電池性能的惡化。除此而外，目前在鉛酸蓄電池中還普遍采用添加劑，用以改善蓄電池性能，如添加鋅、鎘、鋰、鈷、銅、鎂等金屬鹽或氧化物。這些添加劑均為強電解質(zhì)，在放電過程中其離子向負極遷移。這些金屬離子起化合配位作用，降低形成硫酸鉛的概率，既使形成了硫酸鉛，也比較松軟，易于軟化或還原。在電池的使用中，應(yīng)盡量保持溫度恒定，避免溫度的大起大落，減少枝晶析出產(chǎn)生的機會。綜上所述，高溫對蓄電池失水干涸、熱失控、正極板柵腐蝕和變形等都起到加速作用，低溫會引起負極鈍化失效，溫度波動會加速鉛酸蓄電池內(nèi)部短路等等。這些都將影響電池壽命。二、溫度對鉛酸蓄電池容量的影響第一類早期容量損失，縮寫為PCL-Ⅰ。鉛酸蓄電池容量突然損失的主要原因是阻擋層。由于Pb-Ca-Sn-Al合金再生缺陷和半導(dǎo)體效應(yīng)，正極活性物質(zhì)與板柵間形成了單項導(dǎo)電的阻擋層，導(dǎo)電層組成成分較為復(fù)雜并具有半導(dǎo)體特性的晶體，對溫度極為敏感，通過對腐蝕層的研究，改進了電池的合金和鉛膏添加劑等半導(dǎo)體摻雜制造工藝，其原理是半導(dǎo)體晶體對純度極為敏感這一原理，一個ppm的摻雜能增加103的電導(dǎo)率，通過合理的摻雜工藝，這種失效模式基本上解決。第二類早期容量損失，縮寫為PCL-Ⅱ鉛酸蓄電池容量緩慢損失的主要原因是不是通常所見的板柵腐蝕硫酸鹽化或活性物質(zhì)軟化脫落等，而是由于多孔活性物質(zhì)膨脹引起顆粒之間互相隔絕，受溫度影響很大，由PbO2→PbSO4軟化過程中膨脹收縮，引起的正極活性物松軟和絡(luò)合結(jié)構(gòu)的不可逆損壞，逐漸軟化脫落。造成正極板以較低的速度損失容量。（三）第三類早期容量損失，縮寫為PCL-Ⅲ鉛酸蓄電池?zé)o法充電的主要原因是由于負極添加劑活性降低或損失，而使充電困難，充電接受能力差，再充電不足，從而導(dǎo)致負極板底部1/3處硫酸鹽化而造成的。在常溫10h--20h率放電時電池容量受限于正極，在低溫（-15℃以下）和高倍率（1h率以上）放電時電池容量收限于負極，低溫大電流放電或受高溫影響負極極易發(fā)生鈍化，其原因是放電過程中有大量的離子要在很短時間內(nèi)進入酸液，而形成晶核需要一些時間，這樣在電極表面的呈現(xiàn)過大的飽和度，與正常放電電流密度相比就能夠形成數(shù)量多而尺寸小的晶核，使得電極表面變成孔隙小的致密層，阻礙放電反應(yīng)的繼續(xù)進行，類似于部分放電量消耗于這種硫酸鉛鹽層上。高溫促使負極添加劑的分解或溶解在電解液中而早期損失，使負極絨面鉛鈍化。在低溫狀態(tài)，溶解度明顯降低，即使放電電流與低溫低濃度時相同、放電時產(chǎn)生的速度不變，但相對于低平衡溶解度來說提高了飽和度。在低溫狀態(tài)，還導(dǎo)致酸液的粘度增加，導(dǎo)致酸擴散速度下降，增大蓄電池的內(nèi)阻，高速傳質(zhì)性能變壞。鈍化層厚度與硫酸鉛的結(jié)晶尺寸、孔隙率和孔徑結(jié)構(gòu)有關(guān)，即與硫酸鉛的溶解度以及鉛電極表面溶液飽和度有關(guān)。在低溫及電流密度、硫酸濃度高時，使負極表面溶液飽和度過高，鈍化層隨之變厚。所以很易造成蓄電池因放電困難而失效。負極板的鈍化表現(xiàn)為既充不進電也放不出電。溫度對上述(一)(二)(三)諸因素影響的機理及程度涉及到電化學(xué)熱力學(xué)、電化學(xué)動力學(xué)、半導(dǎo)體物理學(xué)、金屬物理學(xué)等方面的理論，仍在進一步研究之中。但高溫確實會使蓄電池中的添加劑氧化失效，引起活性物質(zhì)脫落，負極鈍化使蓄電池早期的容量衰減速度加快。這種早期容量衰減，將導(dǎo)致鉛酸蓄電池壽命縮短，可靠性變差。（四）正極板腐蝕根據(jù)化學(xué)熱力學(xué)原理，環(huán)境溫度過高，鉛酸蓄電池放電深度越大，電解液密度越高，板柵腐蝕越劇烈；儲存時間愈長，腐蝕層越厚。伴隨著板柵腐蝕而產(chǎn)生板柵變形拉伸，其結(jié)果使板柵抗張強度變小?；钚晕镔|(zhì)脫落，當腐蝕產(chǎn)物變得很厚或板柵變得相當薄時，板柵電阻增大，使電池容量下降，容量下降20%蓄電池就算失效了。如前所述，由于蓄電池是一個電化學(xué)容器，對環(huán)境溫度變化極為敏感，環(huán)境溫度既影響蓄電池的壽命也影響蓄電池的容量，這兩者是密不可分的。三、膠體鉛酸蓄電池（閥控式鉛酸蓄電池）發(fā)展短短幾年時間，鉛酸蓄電池在太陽能燈具中得到了廣泛應(yīng)用。鑒于VRLA鉛酸蓄電池在自然環(huán)境下全天候工作而面臨的耐候性較差（-20℃~40℃）的問題，成功地開發(fā)出自主知識產(chǎn)權(quán)的耐候性較好（-40℃~60℃）的膠體蓄電池,膠體蓄電池也屬于閥控式鉛酸蓄電池，膠體鉛酸蓄電池采用了富液設(shè)計方案，比VRLA鉛酸蓄電池多加了20%的酸液，極群組周圍及槽體之間充滿凝膠電解質(zhì)，有較大的熱容量和好的散熱性。膠體蓄電池受溫度影響較小，能克服以上三種早期容量損失，并具備以下優(yōu)勢：采用特殊的非液非膠電解質(zhì)，提高裝配壓力（正極板表面的壓力），裝配壓力25—60Kp，抑制正極板活性物質(zhì)的軟化脫落。設(shè)計合理的控制閥，增加氧氣復(fù)合，減少失水，提高電池壽命（在各種環(huán)境中可以提高壽命二倍以上）。采用特殊的板柵結(jié)構(gòu)（正負板柵質(zhì)量比1：0.75）、工藝手段及材料配方，有機和無機添加劑。形成微孔結(jié)構(gòu)的板柵，增大了電極與電解質(zhì)的反應(yīng)界面，降低接觸電阻，減小了電極的極化，大幅度提高電極的活性物質(zhì)利用率、提高了充電效率，增大電池放電和輸出功率，有效的成倍延長電池壽命，全面提高電池性能。正極板柵采用Pb-Ca-Sn-Al-Sb-Zn-Cd其中的組合多元合金，負極板柵采用鉛鈣錫鋁高氫過電位材料板柵和涂膏成型的電極板，容量大、壽命長。鉛錫多元合金集流排，內(nèi)阻小，耐腐蝕，可經(jīng)受長期浮充使用，分析純極電解質(zhì)，自放電小。采用新技術(shù)、改進板柵材配方，提高抗蠕變及抗腐蝕性能，適當提高Pb-Ca合金中的Sn、Ag含量，可以提高抗蠕變性能。采用低阻多孔PE隔板，極板設(shè)計要給電池殼中留出富液空間，酸液不外溢、不污染環(huán)境、不腐蝕設(shè)備機件，可以順利進行氣體陰極吸收。提高極群組的壓力，緊裝配，可以延長蓄電池壽命。電池殼蓋采用迷宮式特殊設(shè)計的透氣閥，和特殊的添加劑，減少了水份的散失。采用適當?shù)奶砑觿?，有利于保持負極的正常充電狀態(tài)，避免負極硫化并減小負極自放電。所以在保持負極正常充電狀態(tài)的同時，也降低了正極極化電位，從而降低了正極板柵的腐蝕速度，利于延長壽命。光伏發(fā)電的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀自從1954年第一塊實用光伏電池問世以來，太陽光伏發(fā)電取得了長足的進步。但比計算機和光纖通訊的發(fā)展要慢得多。其原因可能是人們對信息的追求特別強烈，而常規(guī)能源還能滿足人類對能源的需求。1973年的石油危機和90年代的環(huán)境污染問題大大促進了太陽光伏發(fā)電的發(fā)展。其發(fā)展過程簡列如下：1893年法國科學(xué)家貝克勒爾發(fā)現(xiàn)“光生伏打效應(yīng)”，即“光伏效應(yīng)”。1876年亞當斯等在金屬和硒片上發(fā)現(xiàn)固態(tài)光伏效應(yīng)。1883年制成第一個“硒光電池”，用作敏感器件。1930年肖特基提出Cu2O勢壘的“光伏效應(yīng)”理論。同年，朗格首次提出用“光伏效應(yīng)”制造“太陽電池”，使太陽能變成電能。1931年布魯諾將銅化合物和硒銀電極浸入電解液，在陽光下啟動了一個電動機。1932年奧杜博特和斯托拉制成第一塊“硫化鎘”太陽電池。1941年奧爾在硅上發(fā)現(xiàn)光伏效應(yīng)。1954年恰賓和皮爾松在美國貝爾實驗室，首次制成了實用的單晶太陽電池，效率為6%。同年，韋克爾首次發(fā)現(xiàn)了砷化鎵有光伏效應(yīng)，并在玻璃上沉積硫化鎘薄膜，制成了第一塊薄膜太陽電池。1955年吉尼和羅非斯基進行材料的光電轉(zhuǎn)換效率優(yōu)化設(shè)計。同年，第一個光電航標燈問世。美國RCA研究砷化鎵太陽電池。1957年硅太陽電池效率達8%。1958年太陽電池首次在空間應(yīng)用，裝備美國先鋒1號衛(wèi)星電源。1959年第一個多晶硅太陽電池問世，效率達5%。1960年硅太陽電池首次實現(xiàn)并網(wǎng)運行。1962年砷化鎵太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率達13%。1969年薄膜硫化鎘太陽電池效率達8%。1972年羅非斯基研制出紫光電池，效率達16%。1972年美國宇航公司背場電池問世。1973年砷化鎵太陽