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薄膜光伏組件

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  薄膜太陽(yáng)能光伏電池組件薄膜太陽(yáng)能光伏電池組件

  一、薄膜太陽(yáng)能電池組件(一種新的能源材料)簡(jiǎn)介

  薄膜太陽(yáng)能電池可以使用在價(jià)格低廉的陶瓷、石墨、金屬片等不同材料當基板來(lái)制造,形成可產(chǎn)生電壓的薄膜厚度僅需數μm,目前轉換效率最高可以達13%。薄膜電池太陽(yáng)電池除了平面之外,也因為具有可撓性可以制作成非平面構造其應用范圍大,可與建筑物結合或是變成建筑體的一部份,應用非常廣泛。

  非晶硅(a-Si)太陽(yáng)電池是在玻璃(glass)襯底上沉積透明導電膜(TCO),然后依次用等離子體反應沉積p型、i型、n型三層a-Si,接著(zhù)再蒸鍍金屬電極鋁(Al).光從玻璃面入射,電池電流從透明導電膜和鋁引出,其結構可表示為glass/TCO/pin/Al,還可以用不銹鋼片、塑料等作襯底。

  二、薄膜太陽(yáng)能電池組件——原理

  概述電池是一種能量轉化與儲存的裝置。它通過(guò)反應將化學(xué)能或物理能轉化為電能。電池即一種化學(xué)電源,它由兩種不同成分的電化學(xué)活性電極分別組成正負極,兩電極浸泡在能提供媒體傳導作用的電解質(zhì)中,當連接在某一外部載體上時(shí),通過(guò)轉換其內部的化學(xué)能來(lái)提供能。作為一種電的貯存裝置,當兩種金屬(通常是性質(zhì)有差異的金屬)浸沒(méi)于電解液之中,它們可以導電,并在“極板”之間產(chǎn)生一定電動(dòng)勢。電動(dòng)勢大小(或電壓)與所使用的金屬有關(guān),不同種類(lèi)的電池其電動(dòng)勢也不同。

  電池的性能參數主要有電動(dòng)勢、容量、比能量和電阻。

  電動(dòng)勢等于單位正電荷由負極通過(guò)電池內部移到正極時(shí),電池非靜電力(化學(xué)力)所做的功。電動(dòng)勢取決于電極材料的化學(xué)性質(zhì),與電池的大小無(wú)關(guān)。

  電池所能輸出的總電荷量為電池的容量,通常用安培小時(shí)作單位。電池的能量?jì)Υ嬗邢。電池的容量與電極物質(zhì)的數量有關(guān),即與電極的體積有關(guān)。

  在電池反應中,1千克反應物質(zhì)所產(chǎn)生的電能稱(chēng)為電池的理論比能量。電池的實(shí)際比能量要比理論比能量小。因為電池中的反應物并不全按電池反應進(jìn)行,同時(shí)電池內阻也要引起電動(dòng)勢降,因此常把比能量高的電池稱(chēng)做高能電池。

  電池的面積越大,其內阻越小。

  實(shí)用的化學(xué)電池可以分成兩個(gè)基本類(lèi)型:原電池與蓄電池。原電池制成后即可以產(chǎn)生電流,但在放電完畢即被廢棄。蓄電池又稱(chēng)為二次電池,使用前須先進(jìn)行充電,充電后可放電使用,放電完畢后還可以充電再用。蓄電池充電時(shí),電能轉換成化學(xué)能;放電時(shí),化學(xué)能轉換成電能。

  原理詳解

  在化學(xué)電池中,化學(xué)能直接轉變?yōu)殡娔苁强侩姵貎炔孔园l(fā)進(jìn)行氧化、還原等化學(xué)反應的結果,這種反應分別在兩個(gè)電極上進(jìn)行。負極活性物質(zhì)由電位較負并在電解質(zhì)中穩定的還原劑組成,如鋅、鎘、鉛等活潑金屬和氫或碳氫化合物等。正極活性物質(zhì)由電位較正并在電解質(zhì)中穩定的氧化劑組成,如二氧化錳、二氧化鉛、氧化鎳等金屬氧化物,氧或空氣,鹵素及其鹽類(lèi),含氧酸及其鹽類(lèi)等。電解質(zhì)則是具有良好離子導電性的材料,如酸、堿、鹽的水溶液,有機或無(wú)機非水溶液、熔融鹽或固體電解質(zhì)等。

  當外電路斷開(kāi)時(shí),兩極之間雖然有電位差(開(kāi)路電壓),但沒(méi)有電流,存儲在電池中的化學(xué)能并不轉換為電能。當外電路閉合時(shí),在兩電極電位差的作用下即有電流流過(guò)外電路。同時(shí)在電池內部,由于電解質(zhì)中不存在自由電子,電荷的傳遞必然伴隨兩極活性物質(zhì)與電解質(zhì)界面的氧化或還原反應,以及反應物和反應產(chǎn)物的物質(zhì)遷移。電荷在電解質(zhì)中的傳遞也要由離子的遷移來(lái)完成。

  因此,電池內部正常的電荷傳遞和物質(zhì)傳遞過(guò)程是保證正常輸出電能的必要條件。充電時(shí),電池內部的傳電和傳質(zhì)過(guò)程的方向恰與放電相反;電極反應必須是可逆的,才能保證反方向傳質(zhì)與傳電過(guò)程的正常進(jìn)行。因此,電極反應可逆是構成蓄電池的必要條件。為吉布斯反應自由能增量(焦);F為法拉第常數=96500庫=26.8安·小時(shí);n為電池反應的當量數。這是電池電動(dòng)勢與電池反應之間的基本熱力學(xué)關(guān)系式,也是計算電池能量轉換效率的基本熱力學(xué)方程式。

  實(shí)際上,當電流流過(guò)電極時(shí),電極電勢都要偏離熱力學(xué)平衡的電極電勢,這種現象稱(chēng)為極化。電流密度(單位電極面積上通過(guò)的電流)越大,極化越嚴重。極化現象是造成電池能量損失的重要原因之一。

  極化的原因有三:

 、儆呻姵刂懈鞑糠蛛娮柙斐傻臉O化稱(chēng)為歐姆極化;

 、谟呻姌O-電解質(zhì)界面層中電荷傳遞過(guò)程的阻滯造成的極化稱(chēng)為活化極化;

 、塾呻姌O-電解質(zhì)界面層中傳質(zhì)過(guò)程遲緩而造成的極化稱(chēng)為濃差極化。減小極化的方法是增大電極反應面積、減小電流密度、提高反應溫度以及改善電極表面的催化活性。

  三、薄膜太陽(yáng)能電池組件——配置參數

  電池的主要性能包括額定容量、額定電壓、充放電速率、阻抗、壽命和自放電率。

  2、額定容量

  在設計規定的條件(如溫度、放電率、終止電壓等)下,電池應能放出的最低容量,單位為安培小時(shí),以符號C表示。容量受放電率的影響較大,所以常在字母C的右下角以阿拉伯數字標明放電率,如C20=50,表明在20時(shí)率下的容量為50安·小時(shí)。電池的理論容量可根據電池反應式中電極活性物質(zhì)的用量和按法拉第定律計算的活性物質(zhì)的電化學(xué)當量精確求出。由于電池中可能發(fā)生的副反應以及設計時(shí)的特殊需要,電池的實(shí)際容量往往低于理論容量。

  3、額定電壓

  電池在常溫下的典型工作電壓,又稱(chēng)標稱(chēng)電壓。它是選用不同種類(lèi)電池時(shí)的參考。電池的實(shí)際工作電壓隨不同使用條件而異。電池的開(kāi)路電壓等于正、負電極的平衡電極電勢之差。它只與電極活性物質(zhì)的種類(lèi)有關(guān),而與活性物質(zhì)的數量無(wú)關(guān)。電池電壓本質(zhì)上是直流電壓,但在某些特殊條件下,電極反應所引起的金屬晶體或某些成相膜的相變會(huì )造成電壓的微小波動(dòng),這種現象稱(chēng)為噪聲。波動(dòng)的幅度很小但頻率范圍很寬,故可與電路中自激噪聲相區別。

  4、充放電速率

  有時(shí)率和倍率兩種表示法。時(shí)率是以充放電時(shí)間表示的充放電速率,數值上等于電池的額定容量(安·小時(shí))除以規定的充放電電流(安)所得的小時(shí)數。倍率是充放電速率的另一種表示法,其數值為時(shí)率的倒數。原電池的放電速率是以經(jīng)某一固定電阻放電到終止電壓的時(shí)間來(lái)表示。放電速率對電池性能的影響較大。

  5、阻抗

  電池內具有很大的電極-電解質(zhì)界面面積,故可將電池等效為一大電容與小電阻、電感的串聯(lián)回路。但實(shí)際情況復雜得多,尤其是電池的阻抗隨時(shí)間和直流電平而變化,所測得的阻抗只對具體的測量狀態(tài)有效。

  6、壽命

  儲存壽命指從電池制成到開(kāi)始使用之間允許存放的最長(cháng)時(shí)間,以年為單位。包括儲存期和使用期在內的總期限稱(chēng)電池的有效期。儲存電池的壽命有干儲存壽命和濕儲存壽命之分。循環(huán)壽命是蓄電池在滿(mǎn)足規定條件下所能達到的最大充放電循環(huán)次數。在規定循環(huán)壽命時(shí)必須同時(shí)規定充放電循環(huán)試驗的制度,包括充放電速率、放電深度和環(huán)境溫度范圍等。

  7、自放電率

  電池在存放過(guò)程中電容量自行損失的速率。用單位儲存時(shí)間內自放電損失的容量占儲存前容量的百分數表示。

  四、薄膜太陽(yáng)能電池組件——種類(lèi)

  非晶硅(Amorphous Silicon, a-Si)、微晶硅(Nanocrystalline Silicon,nc-Si,Microcrystalline Silicon,mc-Si)、化合物半導體II-IV 族[CdS、CdTe(碲化鎘)、CuInSe2]、色素敏化染料(Dye-Sensitized Solar Cell)、有機導電高分子(Organic/polymer solar cells) 、CIGS (銅銦硒化物)..等

  1、砷化鎵

  GaAs屬于III-V族化合物半導體材料,其能隙為1.4eV,正好為高吸收率太陽(yáng)光的值,與太陽(yáng)光譜的匹配較適合,且能耐高溫,在250℃的條件下,光電轉換性能仍很良好,其最高光電轉換效率約30%,特別適合做高溫聚光太陽(yáng)電池。砷化鎵生產(chǎn)方式和傳統的硅晶圓生產(chǎn)方式大不相同,砷化鎵需要采用磊晶技術(shù)制造,這種磊晶圓的直徑通常為4—6英寸,比硅晶圓的12英寸要小得多。

  磊晶圓需要特殊的機臺,同時(shí)砷化鎵原材料成本高出硅很多,最終導致砷化鎵成品IC成本比較高。磊晶目前有兩種,一種是化學(xué)的MOCVD,一種是物理的MBE。GaAs等III-V化合物薄膜電池的制備主要采用MOVPE和LPE技術(shù),其中MOVPE方法制備GaAs薄膜電池受襯底位錯,反應壓力,III-V比率,總流量等諸多參數的影響。GaAs(砷化鎵)光電池大多采用液相外延法或MOCVD技術(shù)制備。

  用GaAs作襯底的光電池效率高達29.5%(一般在19.5%左右),產(chǎn)品耐高溫和輻射,但生產(chǎn)成本高,產(chǎn)量受限,現今主要作空間電源用。以硅片作襯底,MOCVD技術(shù)異質(zhì)外延方法制造GaAs電池是降用低成本很有希望的方法。已研究的砷化鎵系列太陽(yáng)電池有單晶砷化鎵,多晶砷化鎵,鎵鋁砷--砷化鎵異質(zhì)結,金屬-半導體砷化鎵,金屬--絕緣體--半導體砷化鎵太陽(yáng)電池等。砷化鎵材料的制備類(lèi)似硅半導體材料的制備,有晶體生長(cháng)法,直接拉制法,氣相生長(cháng)法,液相外延法等。由于鎵比較稀缺,砷有毒,制造成本高,此種太陽(yáng)電池的發(fā)展受到影響。除GaAs外,其它III-V化合物如Gasb,GaInP等電池材料也得到了開(kāi)發(fā)。

  1998年德國費萊堡太陽(yáng)能系統研究所制得的GaAs太陽(yáng)能電池轉換效率為24.2%,為歐洲記錄。首次制備的GaInP電池轉換效率為14.7%。另外,該研究所還采用堆疊結構制備GaAs,Gasb電池,該電池是將兩個(gè)獨立的電池堆疊在一起,GaAs作為上電池,下電池用的是GaSb,所得到的電池效率達到31.1%。砷化鎵(GaAs)III-V化合物電池的轉換效率可達28%,GaAs化合物材料具有十分理想的光學(xué)帶隙以及較高的吸收效率,抗輻照能力強,對熱不敏感,適合于制造高效單結電池。但是GaAs材料的價(jià)格不菲,因而在很大程度上限制了用GaAs電池的普及。

  2、銅銦硒

  銅銦硒CuInSe2簡(jiǎn)稱(chēng)CIC.CIS材料的能降為1.1 eV,適于太陽(yáng)光的光電轉換,另外,CIS薄膜太陽(yáng)電池不存在光致衰退問(wèn)題。因此,CIS用作高轉換效率薄膜太陽(yáng)能電池材料也引起了人們的注目。CIS電池薄膜的制備主要有真空蒸鍍法和硒化法。真空蒸鍍法是采用各自的蒸發(fā)源蒸鍍銅,銦和硒,硒化法是使用H2Se疊層膜硒化,但該法難以得到組成均勻的CIS。CIS薄膜電池從80年代最初8%的轉換效率發(fā)展到現今的15%左右。日本松下電氣工業(yè)公司開(kāi)發(fā)的摻鎵的CIS電池,其光電轉換效率為15.3%(面積25 px2)。

  1995年美國可再生能源研究室研制出轉換效率17.1%的CIS太陽(yáng)能電池,這是迄今為止世界上該電池的最高轉換效率。預計到2000年CIS電池的轉換效率將達到20%,相當于多晶硅太陽(yáng)能電池。CIS作為太陽(yáng)能電池的半導體材料,具有價(jià)格低廉,性能良好和工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

  3、碲化鎘

  CdTe是Ⅱ-Ⅵ族化合物半導體,帶隙1.5eV,與太陽(yáng)光譜非常匹配,最適合于光電能量轉換,是一種良好的PV材料,具有很高的理論效率(28%),性能很穩定,一直被光伏界看重,是技術(shù)上發(fā)展較快的一種薄膜電池。碲化鎘容易沉積成大面積的薄膜,沉積速率也高。CdTe薄膜太陽(yáng)電池通常以CdS/CdTe異質(zhì)結為基礎。盡管CdS和CdTe和晶格常數相差10%,但它們組成的異質(zhì)結電學(xué)性能優(yōu)良,制成的太陽(yáng)電池的填充因子高達FF =0.75。制備CdTe多晶薄膜的多種工藝和技術(shù)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出來(lái),如近空間升華、電沉積、PVD、CVD、CBD、絲網(wǎng)印刷、濺射、真空蒸發(fā)等。

  絲網(wǎng)印刷燒結法:由含CdTe、CdS漿料進(jìn)行絲網(wǎng)印刷CdTe、CdS膜,然后在600~700℃可控氣氛下進(jìn)行熱處理1h得大晶粒薄膜。近空間升華法:采用玻璃作襯底,襯底溫度500~600℃,沉積速率10μm/min.真空蒸發(fā)法:將CdTe從約700℃加熱鉗堝中升華,冷凝在300~400℃襯底上,典型沉積速率1 nm/s. 以CdTe吸收層,CdS作窗口層半導體異質(zhì)結電池的典型結構:減反射膜/玻璃/(SnO2:F)/CdS/P-CdTe/背電極。電池的實(shí)驗室效率不斷攀升,現今突16%。

  20世紀90年代初,CdTe電池已實(shí)現了規;a(chǎn),但市場(chǎng)發(fā)展緩慢,市場(chǎng)份額一直徘徊在1%左右。商業(yè)化電池效率平均為8%-10%。人們認為,CdTe薄膜太陽(yáng)電池是太陽(yáng)能電池中最容易制造的,因而它向商品化進(jìn)展最快。提高效率就是要對電池結構及各層材料工藝進(jìn)行優(yōu)化,適當減薄窗口層CdS的厚度,可減少入射光的損失,從而增加電池短波響應以提高短路電流密度,較高轉換效率的CdTe電池就采用了較薄的CdS窗口層而創(chuàng )了最高紀錄。要降低成本,就必須將CdTe的沉積溫度降到550℃以下,以適于廉價(jià)的玻璃作襯底;實(shí)驗室成果走向產(chǎn)業(yè),必須經(jīng)過(guò)組件以及生產(chǎn)模式的設計、研究和優(yōu)化過(guò)程。

  至今,不僅有許多國家的研究小組已經(jīng)能夠在低襯底溫度下制造出轉換效率12%以上的CdTe太陽(yáng)電池,而且在大面積組件方面取得了可喜的進(jìn)展,許多公司正在進(jìn)行CdTe薄膜太陽(yáng)電池的中試和生產(chǎn)廠(chǎng)的建設,有的已經(jīng)投產(chǎn)。

  五、薄膜太陽(yáng)能電池組件——物理優(yōu)勢

  硅材料是現今太陽(yáng)電池的主導材料,在成品太陽(yáng)電池成本份額中,硅材料占了將近40%,而非晶硅太陽(yáng)電池的厚度不到1μm,不足晶體硅太陽(yáng)電池厚度的1/100,這就大大降低了制造成本,又由于非晶硅太陽(yáng)電池的制造溫度很低(-200℃)、易于實(shí)現大面積等優(yōu)點(diǎn),使其在薄膜太陽(yáng)電池中占據首要地位,在制造方法方面有電子回旋共振法、光化學(xué)氣相沉積法、直流輝光放電法、射頻輝光放電法、濺謝法和熱絲法等。

  特別是射頻輝光放電法由于其低溫過(guò)程(-200℃),易于實(shí)現大面積和大批量連續生產(chǎn),現成為國際公認的成熟技術(shù)。

  在材料研究方面,先后研究了a-SiC窗口層、梯度界面層、μC-SiC p層等,明顯改善了電池的短波光譜響應.這是由于a-Si太陽(yáng)電池光生載流子的生成主要在i層,入射光到達i層之前部分被p層吸收,對發(fā)電是無(wú)效的.而a-SiC和μC-SiC材料比p型a-Si具有更寬的光學(xué)帶隙,因此減少了對光的吸收,使到達i層的光增加;加之梯度界面層的采用,改善了a-SiC/a-Si異質(zhì)結界面光電子的輸運特性.在增加長(cháng)波響應方面,采用了絨面TCO膜、絨面多層背反射電極(ZnO/Ag/Al)和多帶隙疊層結構,即glass/TCO/p1i1n1/p2i2n2/p3i3n3/ZnO/Ag/Al結構.絨面TCO膜和多層背反射電極減少了光的反射和透射損失,并增加了光在i層的傳播路程,從而增加了光在i層的吸收.多帶隙結構中,i層的帶隙寬度從光入射方向開(kāi)始依次減小,以便分段吸收太陽(yáng)光,達到拓寬光譜響應、提高轉換效率之目的。

  在提高疊層電池效率方面還采用了漸變帶隙設計、隧道結中的微晶化摻雜層等,以改善載流子收集。

  六、薄膜太陽(yáng)能電池組件——說(shuō)明

  1、制造技術(shù)

  薄膜太陽(yáng)電池可以使用在價(jià)格低廉的玻璃、塑料、陶瓷、石墨,金屬片等不同材料當基板來(lái)制造,形成可產(chǎn)生電壓的薄膜厚度僅需數μm,因此在同一受光面積之下可較硅晶圓太陽(yáng)能電池大幅減少原料的用量(厚度可低于硅晶圓太陽(yáng)能電池90%以上),目前實(shí)驗室轉換效率最高已達20%以上,規;慨a(chǎn)穩定效率最高約13%。薄膜太陽(yáng)電池除了平面之外,也因為具有可撓性可以制作成非平面構造其應用范圍大,可與建筑物結合或是變成建筑體的一部份,在薄膜太陽(yáng)電池制造上,則可使用各式各樣的沉積(deposition)技術(shù),一層又一層地把p-型或n-型材料長(cháng)上去,常見(jiàn)的薄膜太陽(yáng)電池有非晶硅、CuInSe2 (CIS)、CuInGaSe2 (CIGS)、和CdTe..等。

  2、模塊結構

  薄膜太陽(yáng)能模塊是由玻璃基板、金屬層、透明導電層、電器功能盒、膠合材料、半導體層..等所構成的。

  3、產(chǎn)品應用

  半透明式的太陽(yáng)能電池模塊:建筑整合式太陽(yáng)能應用(BIPV)

  薄膜太陽(yáng)能之應用:隨身折迭式充電電源、軍事、旅行

  薄膜太陽(yáng)能模塊之應用:屋頂、建筑整合式、遠程電力供應、國防

  4、厚度比較

  晶體硅(180~250μm)、單結非晶硅薄膜(600nm),疊層非晶硅薄膜(400nm~500nm)。

  5、特色

  1.相同遮蔽面積下功率損失較小(弱光情況下的發(fā)電性佳)

  2.照度相同下?lián)p失的功率較晶圓太陽(yáng)能電池少

  3.有較佳的功率溫度系數

  4.較佳的光傳輸

  5.較高的累積發(fā)電量

  6.只需少量的硅原料

  7.沒(méi)有內部電路短路問(wèn)題(聯(lián)機已經(jīng)在串聯(lián)電池制造時(shí)內建)

  8.厚度較晶圓太陽(yáng)能電池薄

  9.材料供應無(wú)慮

  10.可與建材整合性運用(BIPV)

  七、薄膜太陽(yáng)能電池組件——其他電池

  化學(xué)電池化學(xué)電池,是指通過(guò)電化學(xué)反應,把正極、負極活性物質(zhì)的化學(xué)能,轉化為電能的一類(lèi)裝置。經(jīng)過(guò)長(cháng)期的研究、發(fā)展,化學(xué)電池迎來(lái)了品種繁多,應用廣泛的局面。大到一座建筑方能容納得下的巨大裝置,小到以毫米計的品種。無(wú)時(shí)無(wú)刻不在為我們的美好生活服務(wù),F代電子技術(shù)的發(fā)展,對化學(xué)電池提出了很高的要求。每一次化學(xué)電池技術(shù)的突破,都帶來(lái)了電子設備革命性的發(fā)展,F代社會(huì )的人們,每天的日常生活中,越來(lái)越離不開(kāi)化學(xué)電池了。如今世界上很多電化學(xué)科學(xué)家,把興趣集中在做為電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力的化學(xué)電池領(lǐng)域。

  干液電池干電池和液體電池的區分僅限于早期電池發(fā)展的那段時(shí)期。最早的電池由裝滿(mǎn)電解液的玻璃容器和兩個(gè)電極組成。后來(lái)推出了以糊狀電解液為基礎的電池,也稱(chēng)做干電池。當前仍然有“液體”電池。一般是體積非常龐大的品種。如那些做為不間斷電源的大型固定型鉛酸蓄電池或與太陽(yáng)能電池配套使用的鉛酸蓄電池。對于移動(dòng)設備,有些使用的是全密封,免維護的鉛酸蓄電池,這類(lèi)電池已經(jīng)成功使用了許多年,其中的電解液硫酸是由硅凝膠固定或被玻璃纖維隔板吸付的。

  一次性型一次性電池俗稱(chēng)“用完即棄”電池,因為它們的電量耗盡后,無(wú)法再充電使用,只能丟棄。常見(jiàn)的一次性電池包括堿錳電池、鋅錳電池、鋰電池、鋅電池、鋅空電池、鋅汞電池、水銀電池、氫氧電池和鎂錳電池。

  可充電型可充電電池按制作材料和工藝上的不同,常見(jiàn)的有鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳鐵電池、鎳氫電池、鋰離子電池。其優(yōu)點(diǎn)是循環(huán)壽命長(cháng),它們可全充放電200多次,有些可充電電池的負荷力要比大部分一次性電池高。普通鎳鎘、鎳氫電池使用中,由于記憶效應,造成使用上的不便,常常引起提前失效。電池的理論充電時(shí)間電池的理論充電時(shí)間:電池的電量除以充電器的輸出電流。例如:以一塊電量為800MAH的電池為例,充電器的輸出電流為500MA那么充電時(shí)間就等于800MAH/500MA=1.6小時(shí),當充電器顯示充電完成后,最好還要給電池大約半個(gè)小時(shí)左右的補電時(shí)間。

  燃料電池燃料電池是一種將燃料的化學(xué)能透過(guò)電化學(xué)反應直接轉化成電能的裝置。燃料電池是利用氫氣在陽(yáng)極進(jìn)行的是氧化反應,將氫氣氧化成氫離子,而氧氣在陰極進(jìn)行還原反應,與由陽(yáng)極傳來(lái)的氫離子結合生成水。氧化還原反應過(guò)程中就可以產(chǎn)生電流。燃料電池的技術(shù)產(chǎn)生了:堿性燃料電池(AFC)、磷酸燃料電池(PAFC)、質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、固態(tài)氧化物燃料電池(SOFC),以及直接甲醇燃料電池(DMFC)等,而其中,利用甲醇氧化反應作為正極反應的燃料電池技術(shù),更是被業(yè)界所看好而積極發(fā)展。

  八、薄膜太陽(yáng)能電池組件——發(fā)展

  歷史在古代,人類(lèi)有可能已經(jīng)不斷地在研究和測試“電”這種東西了。一個(gè)被認為有數千年歷史的粘土瓶在1932年于伊拉克的巴格達附近被發(fā)現。它有一根插在銅制圓筒里的鐵條-可能是用來(lái)儲存靜電用的,然而瓶子的秘密可能永遠無(wú)法被揭曉。不管制造這個(gè)粘土瓶的祖先是否知道有關(guān)靜電的事情,但可以確定的是古希臘人絕對知道。他們曉得如果磨擦一塊琥珀,就能吸引輕的物體。亞里斯多德(Aristotle)也知道有磁石這種東西,它是一種具有強大磁力能吸引鐵和金屬的礦石。

  1780年的一天,意大利解剖學(xué)家伽伐尼在做青蛙解剖時(shí),兩手分別拿著(zhù)不同的金屬器械,無(wú)意中同時(shí)碰在青蛙的大腿上,青蛙腿部的肌肉立刻抽搐了一下,仿佛受到電流的刺激,而只用一種金屬器械去觸動(dòng)青蛙,卻并無(wú)此種反應。伽伐尼認為,出現這種現象是因為動(dòng)物軀體內部產(chǎn)生的一種電,他稱(chēng)之為“生物電”。伽伐尼于1791年將此實(shí)驗結果寫(xiě)成論文,公布于學(xué)術(shù)界。伽伐尼的發(fā)現引起了物理學(xué)家們極大興趣,他們競相重復枷伐尼的實(shí)驗,企圖找到一種產(chǎn)生電流的方法,意大利物理學(xué)家伏特在多次實(shí)驗后認為:伽伐尼的“生物電”之說(shuō)并不正確,青蛙的肌肉之所以能產(chǎn)生電流,大概是肌肉中某種液體在起作用。為了論證自己的觀(guān)點(diǎn),伏特把兩種不同的金屬片浸在各種溶液中進(jìn)行試驗。結果發(fā)現,這兩種金屬片中,只要有一種與溶液發(fā)生了化學(xué)反應,金屬片之間就能夠產(chǎn)生電流。

  1799年,伏特把一塊鋅板和一塊銀板浸在鹽水里,發(fā)現連接兩塊金屬的導線(xiàn)中有電流通過(guò)。于是,他就把許多鋅片與銀片之間墊上浸透鹽水的絨布或紙片,平疊起來(lái)。用手觸摸兩端時(shí),會(huì )感到強烈的電流刺激。伏特用這種方法成功的制成了世界上第一個(gè)電池──“伏特電堆”。這個(gè)“伏特電堆”實(shí)際上就是串聯(lián)的電池組。它成為早期電學(xué)實(shí)驗,電報機的電力來(lái)源。意大利物理學(xué)家伏打就多次重復了伽伐尼的實(shí)驗。作為物理學(xué)家,他的注意點(diǎn)主要集中在那兩根金屬上,而不在青蛙的神經(jīng)上。對于伽伐尼發(fā)現的蛙腿抽搐的現象,他想這可能與電有關(guān),但是他認為青蛙的肌肉和神經(jīng)中是不存在電的,他推想電的流動(dòng)可能是由兩種不同的金屬相互接觸產(chǎn)生的,與動(dòng)物無(wú)關(guān)。實(shí)驗證明,只要在兩種金屬片中間隔以用鹽水或堿水浸過(guò)的(甚至只要是濕和)硬紙、麻布、皮革或其它海綿狀的東西(他認為這是使實(shí)驗成功所必須的),并用金屬線(xiàn)把兩個(gè)金屬片連接起來(lái),不管有沒(méi)有青蛙的肌肉,都會(huì )有電流通過(guò)。這就說(shuō)明電并不是從蛙的組織中產(chǎn)生的,蛙腿的作用只不過(guò)相當于一個(gè)非常靈敏的驗電器而已。

  1836年,英國的丹尼爾對“伏打電堆”進(jìn)行了改良。他使用稀硫酸作電解液,解決了電池極化問(wèn)題,制造出第一個(gè)不極化,能保持平衡電流的鋅─銅電池,又稱(chēng)“丹尼爾電池”。此后,又陸續有去極化效果更好的“本生電池”和“格羅夫電池”等問(wèn)世。但是,這些電池都存在電壓隨使用時(shí)間延長(cháng)而下降的問(wèn)題。

  1860年,法國的普朗泰發(fā)明出用鉛做電極的電池。這種電池的獨特之處是,當電池使用一段使電壓下降時(shí),可以給它通以反向電流,使電池電壓回升。因為這種電池能充電,可以反復使用,所以稱(chēng)它為“蓄電池”。然而,無(wú)論哪種電池都需在兩個(gè)金屬板之間灌裝液體,因此搬運很不方便,特別是蓄電池所用液體是硫酸,挪動(dòng)時(shí)很危險。也是在1860年,法國的雷克蘭士(GeorgeLeclanche)還發(fā)明了世界廣受使用的電池(碳鋅電池)的前身。它的負極是鋅和汞的合金棒(鋅-伏特原型電池的負極,經(jīng)證明是作為負極材料的最佳金屬之一),而它的正極是以一個(gè)多孔的杯子盛裝著(zhù)碾碎的二氧化錳和碳的混合物。在此混合物中插有一根碳棒作為電流收集器。負極棒和正極杯都被浸在作為電解液的氯化銨溶液中。此系統被稱(chēng)為“濕電池”。雷克蘭士制造的電池雖然簡(jiǎn)陋但卻便宜,所以一直到1880年才被改進(jìn)的“干電池”取代。負極被改進(jìn)成鋅罐(即電池的外殼),電解液變?yōu)楹隣疃且后w,基本上這就是現在我們所熟知的碳鋅電池。1887年,英國人赫勒森發(fā)明了最早的干電池。干電池的電解液為糊狀,不會(huì )溢漏,便于攜帶,因此獲得了廣泛應用。

  趨勢我國太陽(yáng)能電池設備主要是晶硅太陽(yáng)能電池設備主要制造商經(jīng)過(guò)2011年上半年的快速增長(cháng)127.2%,并創(chuàng )歷史同期新高后,進(jìn)入下半年,由于光伏產(chǎn)品供大于求,庫存大量積壓,使得大部分光伏生產(chǎn)企業(yè)擴產(chǎn)計劃推遲,大批設備訂貨合同不得不推遲交貨,銷(xiāo)售迅速回落。但2011年全年太陽(yáng)能電池設備銷(xiāo)售收入還是以較高的增長(cháng)率增長(cháng)75%。

  進(jìn)入2012年,我國太陽(yáng)能電池設備市場(chǎng)繼續低迷,全年太陽(yáng)能電池設備銷(xiāo)售收入呈現了負增長(cháng)。2012年量?jì)r(jià)齊跌超60%2008年全球薄膜太陽(yáng)能電池產(chǎn)量達988.8MW,同比增長(cháng)122%。

  2009年世界生產(chǎn)的光伏電池總量達到10700MWp,其中薄膜電池1700MWp,在其中占比約15.9%。2010年全球薄膜太陽(yáng)能電池產(chǎn)量增長(cháng)迅速,產(chǎn)量為2767MW。這幾年中,薄膜太陽(yáng)能電池總產(chǎn)量的增長(cháng)率一直維持在高位。我國也高度重視薄膜太陽(yáng)能電池技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化,與國際先進(jìn)水平差距逐步縮小,積極有序地發(fā)展。

  截至2008年底,我國已建成并投產(chǎn)的14家薄膜太陽(yáng)能電池企業(yè)的產(chǎn)能約達125.9MW,年產(chǎn)量約為46MW。截止2009年底,已開(kāi)工建設和已開(kāi)展前期工作宣布建設的薄膜太陽(yáng)能電池項目將近40個(gè)。2011年1月,首臺“中國造”代表國際尖端水平的薄膜太陽(yáng)能電池關(guān)鍵生產(chǎn)設備——等離子體增強型化學(xué)氣相沉積設備(PECVD)成功下線(xiàn),打破了高端薄膜太陽(yáng)能電池設備一直被國外廠(chǎng)商壟斷的局面。

  2011年5月5日,中國首支CIGS薄膜太陽(yáng)能集電管的面世,向業(yè)界宣告國內薄膜太陽(yáng)能電池發(fā)展緊跟世界腳步。盡管近 年來(lái)多晶硅價(jià)格大幅下滑,晶硅電池轉換效率穩步提升,薄膜電池成本優(yōu)勢減弱,發(fā)展放緩。但光伏行業(yè)正逐步走向技術(shù)多元化,晶硅、薄膜、聚光技術(shù)的博弈不再局限于成本的比拼,各技術(shù)可以在各自的優(yōu)勢應用領(lǐng)域上拓展市場(chǎng)空間。在未來(lái)市場(chǎng)中,薄膜太陽(yáng)能電池所占的比重將會(huì )不斷增加,薄膜太陽(yáng)能電池的研發(fā)將繼續提速。

  未來(lái)光伏建筑一體化(BIPV)的推廣以及國家扶持太陽(yáng)能電池發(fā)展的政策陸續出臺,將推動(dòng)我國薄膜太陽(yáng)能電池新一輪的高速發(fā)展。另外,薄膜電池已被列入我國太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)“十二五”規劃的發(fā)展重點(diǎn),F今,業(yè)界對以薄膜取代硅晶制造太陽(yáng)能電池在技術(shù)上已有足夠的把握。日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所于2月已經(jīng)研制出當今世界上太陽(yáng)能轉換率最高的有機薄膜太陽(yáng)能電池,其轉換率已達到現有有機薄膜太陽(yáng)能電池的4倍。

  此前的有機薄膜太陽(yáng)能電池是把兩層有機半導體的薄膜接合在一起,從太陽(yáng)能到電能的轉換率約為1%。新型有機薄膜太陽(yáng)能電池在原有的兩層構造中間加入一種混合薄膜,變成三層構造,這樣就增加了產(chǎn)生電能的分子之間的接觸面積,從而大大提高了太陽(yáng)能轉換率。

  可折疊薄膜的太陽(yáng)能電池是一種利用非晶硅結合PIN光電二極管技術(shù)加工而成的薄膜太陽(yáng)能電池。此系列產(chǎn)品具有柔軟便攜、耐用、光電轉換效率高等特點(diǎn);可廣泛應用于電子消費品、遠程監控/通訊、軍事、野外/室內供電等領(lǐng)域。有機薄膜太陽(yáng)能電池使用塑料等質(zhì)輕柔軟的材料為基板,因此人們對它的實(shí)用化期待很高。研究人員表示,通過(guò)進(jìn)一步研究,有望開(kāi)發(fā)出轉換率達20%、可投入實(shí)際使用的有機薄膜太陽(yáng)能電池。

  專(zhuān)家認為,未來(lái)5年內薄膜太陽(yáng)能電池將大幅降低成本,屆時(shí)這種薄膜太陽(yáng)能電池將廣泛用于手表、計算器、窗簾甚至服裝上。由于其所使用的半導體原料遠較一般太陽(yáng)能電池為少,因此可解決太陽(yáng)能電池價(jià)格高昂的問(wèn)題。

  后來(lái),研究人員使用稱(chēng)為CIS的復合半導體的技術(shù),將2~3微米厚的CIS放在玻璃等物料上,制成薄膜太陽(yáng)能電池。它比傳統以矽制成的太陽(yáng)能電池薄100倍,實(shí)際上比頭發(fā)還要薄,它亦較輕和使用較少半導體物料,售價(jià)因此較便宜并可大量生產(chǎn)。

  傳統的矽電池需大量半導體物料,價(jià)格昂貴,因此無(wú)法普及,而且由于較笨重,其應用范圍受限制。薄膜電池卻只需要將廉價(jià)物料放在諸如塑膠等有彈性的表面上便可,價(jià)錢(qián)便宜而且輕便。專(zhuān)家相信,不久的將來(lái),薄膜材料的太陽(yáng)能電池將出現在人們的日常生活中,F今,世界上至少有40個(gè)國家正在開(kāi)展對下一代低成本、高效率的薄膜太陽(yáng)能電池實(shí)用化的研究開(kāi)發(fā)。

  據俄《STRF》科學(xué)網(wǎng)站3月25日消息,俄科學(xué)院約飛物理技術(shù)研究所的研究小組研制出一種新的太陽(yáng)能薄膜電池,這種基于硅材料的太陽(yáng)能電池組件,其光電轉換效率理論可達27%[1] ,F今,全球大部分光伏產(chǎn)業(yè)中所用的主體材料都是晶硅電池,單晶硅電池和多晶硅電池在光伏面板領(lǐng)域占主導地位。而第二代太陽(yáng)能電池——薄膜太陽(yáng)能電池市場(chǎng)如今正在悄然崛起,以其特有的質(zhì)輕、透光性好等優(yōu)勢開(kāi)拓出了一片新領(lǐng)域。

  九、薄膜太陽(yáng)能電池組件——國外研究

  在廣泛深入的應用研究基礎上,國際上許多國家的CdTe薄膜太陽(yáng)電池已由實(shí)驗室研究階段開(kāi)始走向規模工業(yè)化生產(chǎn)。1998年美國的CdTe電池產(chǎn)量就為0.2MW,日本的CdTe電池產(chǎn)量為2.0MW。德國公司將在Rudisleben建成一家年產(chǎn)10MW的CdTe薄膜太陽(yáng)電池組件生產(chǎn)廠(chǎng),預計其生產(chǎn)成本將會(huì )低于$1.4/W。該組件不但性能優(yōu)良,而且生產(chǎn)工藝先進(jìn),使得該光伏組件具有完美的外型,能在建筑物上使用,既拓寬了應用面,又可取代某些建筑材料而使電池成本進(jìn)一步降低。CdTe薄膜太陽(yáng)電池是薄膜太陽(yáng)電池中發(fā)展較快的一種光伏器件。

  美國南佛羅里達大學(xué)于1993年用升華法在25px2面積上做出效率為15.8 %的太陽(yáng)電池,隨后,日本報道了CdTe基電池以CdTe作吸收層,CdS作窗口層的n-CdS/ p-CdTe半導體異質(zhì)結電池,其典型結構為MgF2/玻璃/ SnO2:F/ n-CdS/ p-CdTe/背電極,小面積電池最高轉換效率16%,成為當時(shí)CdTe薄膜太陽(yáng)能電池的最高紀錄,如今,太陽(yáng)電池的研究方向是高轉換效率,低成本和高穩定性。因此,以CdTe為代表的薄膜太陽(yáng)電池倍受關(guān)注,面積為90000px2電池轉換效率達到11.1%的水平。

  美國國家可再生能源實(shí)驗室提供了Solar Cells lnc的面積為171975px2CdTe薄膜太陽(yáng)電池的測試結果,轉換效率達到7.7%;Bp Solar的CdTe薄膜太陽(yáng)電池,面積為113500px2,效率為8.4%,面積為17650px2的太陽(yáng)電池,轉換效率達到10.1%;Goldan Photon的CdTe太陽(yáng)電池,面積為88200px2,轉換效率為7.7%。碲化鎘薄膜太陽(yáng)電池的制造成本低,現今,已獲得的最高效率為16%,是應用前景最好的新型太陽(yáng)電池,它已經(jīng)成為美、德、日、意等國研究開(kāi)發(fā)的主要對象。CdTe薄膜太陽(yáng)電池較其他的薄膜電池容易制造,因而它向商品化進(jìn)展最快。已由實(shí)驗室研究階段走向規;I(yè)生產(chǎn)。下一步的研發(fā)重點(diǎn),是進(jìn)一步降低成本、提高效率并改進(jìn)與完善生產(chǎn)工藝。

  CdTe太陽(yáng)能電池在具備許多有利于競爭的因素下,但在2002年其全球市占率僅0.42﹪,現今CdTe電池商業(yè)化產(chǎn)品效率已超過(guò)10﹪,究其無(wú)法耀升為市場(chǎng)主流的原因,大至有下列幾點(diǎn):

  1、模塊與基材材料成本太高,整體CdTe太陽(yáng)能電池材料占總成本的53﹪,其中半導體材料只占約5.5﹪。

  2、碲天然運藏量有限,其總量勢必無(wú)法應付大量而全盤(pán)的倚賴(lài)此種光電池發(fā)電之需。

  3、鎘的毒性,使人們無(wú)法放心的接受此種光電池。CdTe太陽(yáng)能電池作為大規模生產(chǎn)與應用的光伏器件,最值得關(guān)注的是環(huán)境污染問(wèn)題。有毒元素Cd對環(huán)境的污染和對操作人員健康的危害是不容忽視的。我們不能在獲取清潔能源的同時(shí),又對人體和人類(lèi)生存環(huán)境造成新的危害。有效地處理廢棄和破損的CdTe組件,技術(shù)上很簡(jiǎn)單。而Cd是重金屬,有劇毒,Cd的化合物與Cd一樣有毒。

  其主要影響,

  一是含有Cd的塵埃通過(guò)呼吸道對人類(lèi)和其他動(dòng)物造成的危害;

  二是生產(chǎn)廢水廢物排放所造成的污染。因此,對破損的玻璃片上的Cd和Te應去除并回收,對損壞和廢棄的組件應進(jìn)行妥善處理,對生產(chǎn)中排放的廢水、廢物應進(jìn)行符合環(huán)保標準的處理,F今各國均在大力研究解決CdTe薄膜太陽(yáng)能電池發(fā)展的因素,相信上述問(wèn)題不久將會(huì )逐個(gè)解決,從而使碲化鎘薄膜電池成為未來(lái)社會(huì )新的能源成分之一。

  相關(guān)論述淺談多元化合物薄膜太陽(yáng)能電池據了解,科學(xué)家為了尋找單晶硅電池的替代品,除開(kāi)發(fā)了多晶硅、非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池外,又不斷研制其它材料的太陽(yáng)能電池。其中主要包括砷化鎵III-V族化合物、硫化鎘、硫化鎘及銅錮硒薄膜電池等。在上述電池中,盡管硫化鎘、碲化鎘多晶薄膜電池的效率較非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池效率高,成本較單晶硅電池低,并且也易于大規模生產(chǎn),但由于鎘有劇毒,會(huì )對環(huán)境造成嚴重的污染,因此,并不是晶體硅太陽(yáng)能電池最理想的替代。

  據了解,砷化鎵III-V化合物及銅銦硒薄膜電池由于具有較高的轉換效率受到人們的普遍重視。GaAs等III-V化合物薄膜電池的制備主要采用 MOVPE和LPE技術(shù),其中MOVPE方法制備GaAs薄膜電池受襯底位錯、反應壓力、III-V比率、總流量等諸多參數的影響。除GaAs外,其它III-V化合物如GaSb、GaInP等電池材料也得到了開(kāi)發(fā)。

  另外,研究所還采用堆疊結構制備GaAs,Gasb電池,該電池是將兩個(gè)獨立的電池堆疊在一起,GaAs作為上電池,下電池用的是Gasb,所得到的電池效率達到31.1%。銅銦硒CuInSe2簡(jiǎn)稱(chēng)CIS。CIS材料的能降為1.1 eV,適于太陽(yáng)光的光電轉換,另外,CIS薄膜太陽(yáng)電池不存在光致衰退問(wèn)題。因此,CIS用作高轉換效率薄膜太陽(yáng)能電池材料也引起了人們的注目。CIS作為太陽(yáng)能電池的半導體材料,具有價(jià)格低廉、性能良好和工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),將成為今后發(fā)展太陽(yáng)能電池的一個(gè)重要方向。唯一的問(wèn)題是材料的來(lái)源,由于銦和硒都是比較稀有的元素,因此,這類(lèi)電池的發(fā)展又必然受到限制。

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