詳解太陽能電池板

太陽能電池板（Solar panel）它是一種通過光電效應或光化學效應直接或間接將太陽輻射能轉化為電能的裝置。太陽能電池板的主要材料大多是硅，但由于生產成本高，其廣泛使用仍有一定的局限性。

 與普通電池和可回收充電電池相比，太陽能電池是更節(jié)能、更環(huán)保的綠色產品。

       中文名  太陽能電池板 外文名Solar panel

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  1） 鋼化玻璃 其作用為保護發(fā)電主體（如電池片），透光其選用是有要求的，1.透光率必須高(一般91%以上)；2.超白鋼化處理

  2） EVA 用于粘結固定鋼化玻璃和發(fā)電主體(如電池片)EVA材料的質量直接影響組件的使用壽命，暴露在空氣中EVA容易老化發(fā)黃，影響組件的透光率，影響組件的發(fā)電質量EVA除了自身的質量，組件廠家的層壓工藝也有很大的影響，比如EVA膠連度不達標，EVA與鋼化玻璃和背板粘接強度不足會導致EVA早期老化，影響組件壽命。 

3）電池板的主要功能是發(fā)電。晶體硅太陽能電池板和薄膜太陽能電池板是發(fā)電市場的主流，各有優(yōu)缺點。晶體硅太陽能電池板設備成本相對較低，但消耗和電池板成本較高，但光電轉換效率也較高，更適合室外陽光發(fā)電；薄膜太陽能電池相對設備成本較高，但消耗和電池成本較低，但光電轉換效率超過晶體硅電池板的一半，但弱光效應很好，也可以在普通照明下發(fā)電，如計算器上的太陽能電池。

  4）EVA功能如上，主要粘結封裝發(fā)電主體和背板 太陽能電池板

  5） 背板 作用，密封、絕緣、防水(一般使用)TPT、TPE材料必須耐老化，大多數部件制造商保修25年，鋼化玻璃、鋁合金一般沒有問題，關鍵是背板和硅膠是否能滿足要求。

  6）鋁合金保護層壓件具有一定的密封和支撐作用

  7） 接線盒 保護整個發(fā)電系統，發(fā)揮電流中轉站的作用。如果組件短路接線盒自動斷開短路電池串，則防止整個系統燒壞。接線盒中非常重要的是二極管的選擇。根據組件中電池板的類型，相應的二極管也不同

  8） 硅膠 用于密封組件與鋁合金框架、組件與接線盒的交界處。硅膠用雙面橡膠條和泡沫代替。硅膠廣泛應用于中國。工藝簡單，操作方便，成本低。

  材料分類

  目前，晶體硅材料（包括多晶硅和單晶硅）是非常重要的光伏材料，其市場份額在90%以上，長期以來仍是太陽能電池的主流材料。多晶硅材料的生產技術長期掌握在美國、日本、德國等國家7家工廠手中，形成技術封鎖和市場壟斷。多晶硅的需求主要來自半導體和太陽能電池。根據純度要求，分為電子級和太陽能級。其中，電子級多晶硅約占55%，太陽能級多晶硅約占45%。隨著光伏產業(yè)的快速發(fā)展，太陽能電池對多晶硅的需求增長率高于半導體多晶硅。預計到2008年，太陽能多晶硅的需求將超過電子級多晶硅。1994年，世界上只有太陽能電池的總產量69MW，而2004年就接近1200MW，短短10年就增長了17倍。

  晶體硅電池板：多晶硅太陽能電池、單晶硅太陽能電池。

  非晶硅電池板：薄膜太陽能電池、有機太陽能電池。

  化學染料電池板：染料敏化太陽能電池。

  柔性太陽能電池

  單晶硅

  單晶硅太陽能電池的光電轉換效率約為18%，非常高為24%。這是所有類型太陽能電池中光電轉換效率非常高的，但生產成本很高，不能廣泛使用。由于單晶硅一般用鋼化玻璃和防水樹脂包裝，堅固耐用，使用壽命可達25年。

  多晶硅

  多晶硅太陽能電池的生產工藝與單晶硅太陽能電池相似，但多晶硅太陽能電池的光電轉換效率大大降低，其光電轉換效率約為16% (2004年7月1日，日本夏普上市效率為14.8世界上非常高效的多晶硅太陽能電池是%)。就生產成本而言，它比單晶硅太陽能電池便宜。材料制造簡單，節(jié)約電耗，總生產成本低，發(fā)展廣泛。此外，多晶硅太陽能電池的使用壽命也比單晶硅太陽能電池短。就性能和價格比而言，單晶硅太陽能電池略好。

  非晶硅

  非晶硅太陽能電池是1976年出現的一種新型薄膜太陽能電池。它的生產方法與單晶硅和多晶硅太陽能電池完全不同。工藝流程大大簡化，硅材料消耗少，功耗低。其主要優(yōu)點是也可以在弱光條件下發(fā)電。然而，非晶硅太陽能電池的主要問題是光電轉換效率低，國際先進水平約為10%，不穩(wěn)定。隨著時間的推移，轉換效率下降。

  多種化合物

  多元化合物太陽能電池是指非單元半導體材料制成的太陽能電池。各國研究品種繁多，大部分尚未工業(yè)化生產，主要有以下幾種:a)硫化鎘太陽能電池b)砷化鎵太陽能電池c)銅鋯硒太陽能電池(新型多元帶梯度梯度)Cu(In,Ga)Se2薄膜太陽能電池)

  Cu(In,Ga)Se2它是一種性能優(yōu)異的太陽能吸收材料，具有梯度能帶間隙（導帶與價帶之間的能級差）的多元化半導體材料，可擴大太陽能吸收光譜的范圍，提高光電轉化效率。在此基礎上，可設計薄膜太陽能電池，其光電轉換效率明顯高于硅膜太陽能電池?？蛇_到的光電轉換率為18%。此外，到目前為止，有發(fā)現光輻射導致性能下降的影響（SWE），與商用薄膜太陽能電池板相比，其光電轉化效率大大提高50~75%，是世界上薄膜太陽能電池中光電轉化效率非常高的水平。

  柔性電池

  與傳統的太陽能電池相比，柔性薄膜太陽能電池是有區(qū)別的。

  常規(guī)太陽能電池一般在兩層玻璃中間EVA材料和電池板的結構，這樣的組件重量較重，安裝時需要支架，不易移動。

  柔性薄膜太陽能電池不需要玻璃背板和蓋板，重量比雙層玻璃太陽能電池組件輕80%pvc背板和ETFE薄膜蓋板的柔性電池板甚可以隨意彎曲，便于攜帶。安裝時不需要特殊支架，可以方便地安裝在屋頂和帳篷頂部。

  缺點是光電的轉換效率低于常規(guī)晶硅組件。

  應用領域

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  1.用戶太陽能電源:(1)小電源10-100W不等于高原、島嶼、牧區(qū)、邊防哨所等軍民生活用電等偏遠無電地區(qū)；(2)3-5KW家庭屋頂并網發(fā)電系統；(3)光伏水泵解決無電地區(qū)深水井飲用灌溉問題。

  2. 交通領域:如航標燈、交通/鐵路信號燈、交通警示/標志燈、宇翔路燈、高空障礙燈、高速公路/鐵路無線電話亭、無人值守道路供電等。

  3. 通信/通信領域:太陽能無人值守微波中繼站、光纜維護站、廣播/通信/尋呼電源系統；農村載波電話光伏系統、小型通信機、士兵GPS供電等。

  4. 石油、海洋、氣象領域:油管及水庫閘門陰極保護太陽能電源系統、油鉆平臺生活及應急電源、海洋檢測設備、氣象/水文觀測設備等。

  5.燈具電源：如庭院燈、路燈、手提燈、野營燈、登山燈、釣魚燈、黑燈、割膠燈、節(jié)能燈等。

  6.光伏電站：10KW-50MW獨立光伏電站、風景(柴)互補電站、各種大型停車場充電站等。

  7.太陽能建筑：將太陽能發(fā)電與建筑材料相結合，使未來大型建筑實現電力自給，是未來的主要發(fā)展方向。

  8.其他領域包括:(1)與汽車配套：太陽能汽車/電動汽車、電池充電設備、汽車空調、通風機、冷飲箱等（2）太陽能氫加燃料電池再生發(fā)電系統；（3）海水淡化設備供電；（4）衛(wèi)星、航天器、空間太陽能電站等。

  發(fā)電原理

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  太陽能電池是一種對光有反應的裝置，可以將光能轉化為電力。有許多材料可以產生光伏效應，如單晶硅、多晶硅、非晶硅、砷化鎵、硒鋯銅等。它們的發(fā)電原理基本相同，現在以晶體硅為例來描述光發(fā)電過程。P晶體硅可以通過摻雜磷獲得N型硅，形成P-N結。

  當光照射太陽能電池表面時，部分光子被硅材料吸收；光子的能量傳遞給硅原子，使電子跳躍，成為自由電子P-N兩側聚集形成電位差。當外部連接電路時，在電壓的作用下，電流通過外部電路產生一定的輸出功率。這個過程的本質是光子能量轉化為電能的過程。

  1、太陽能發(fā)電有兩種方式，一種是光熱電轉換，另一種是光電直接轉換。

  (1) 光-熱-電轉換通過太陽輻射產生的熱能發(fā)電，通常由太陽能集熱器吸收的熱能轉換

  太陽能電池板

  用工質蒸汽代替，然后驅動汽輪機發(fā)電。前一個過程是光熱轉換過程；后一個過程是熱電轉換過程，與普通火電相同。太陽能熱發(fā)電的缺點是效率低，成本高。據估計，其投資少比普通火電站貴5～10倍。一座1000MW太陽能熱電站需要投資20～25平均1億美元1kW的投資為2000～2500美元。因此，適用于小規(guī)模特殊場合，大規(guī)模使用經濟不劃算，無法與普通火電站或核電站競爭。

  （2） 光電直接轉換是利用光電效應將太陽輻射能直接轉化為電能，光電轉換的基本裝置是太陽能電池。太陽能電池是一種由于光伏特性而直接將太陽能轉化為電能的裝置。它是一種半導體光電二極管。當太陽照在光電二極管上時，光電二極管將太陽的光能轉化為電能并產生電流。當許多電池串聯或并聯時，它們可以成為輸出功率較大的太陽能電池方陣。太陽能電池是一種很有前途的新電源，具有長久性、清潔性和靈活性三大優(yōu)點.太陽能電池壽命長，只要太陽存在，太陽能電池就可以長期使用；與火力發(fā)電和核能發(fā)電相比，太陽能電池不會造成環(huán)境污染；太陽能電池可以大、中、小，大到數百萬千瓦的中型電站，小到只有一個家庭的太陽能電池組，這是其他電源無法比擬的

  功率計算

  太陽能交流發(fā)電系統由太陽能電池板、充電控制器、逆變器和電池組成；太陽能直流發(fā)電系統不包括逆變器。為了使太陽能發(fā)電系統為負載提供足夠的電源，應根據電器的功率合理選擇各部件。以下內容100W以輸出功率為例，每天使用6小時，介紹計算方法：

  1.首先，計算每天消耗的瓦時數（包括逆變器的損耗）：如果逆變器的轉換效率為90%，則輸出功率為100W當實際需要輸出功率時100W/90%=111W；如果每天使用5小時，輸出功率為111W*5小時=555Wh。

  2.計算太陽能電池板：根據每天6小時的有效日照時間，考慮到充電效率和充電過程中的損失，太陽能電池板的輸出功率應為555Wh/6h/70%=130W。其中70%是太陽能電池板在充電過程中的實際功率。

  發(fā)電效率

  單晶硅太陽能的光電轉換效率非常高達24%，是目前所有類型太陽能電池中光電轉換效率非常高的。然而，單晶硅太陽能電池的生產成本非常高，因此不能廣泛使用。就生產成本而言，多晶硅太陽能電池比單晶硅太陽能電池便宜，但多晶硅太陽能電池的光電轉換效率大大降低。此外，多晶硅太陽能電池的使用壽命也比單晶硅太陽能電池短。因此，就性能和價格比而言，單晶硅太陽能電池略好。

  研究人員發(fā)現，一些化合物半導體材料適用于太陽能光電轉化膜。CdS,CdTe；Ⅲ-V化合物半導體：GaAs,AIPInP等等；由這些半導體制成的薄膜太陽能電池具有良好的光電轉換效率。具有梯度和多間隙的半導體材料可以擴大太陽能吸收光譜的范圍，從而提高光電轉換效率。使薄膜太陽能電池具有廣闊的前景。在這些多種半導體材料中Cu(In,Ga)Se2它是一種性能優(yōu)異的太陽能吸收材料。在此基礎上，可設計光電轉換效率明顯高于硅的薄膜太陽能電池，光電轉換率為18%.

  使用壽命

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  太陽能電池板由電池板、鋼化玻璃制成，EVA，TPT由于材料的決定，使用較好材料的制造商制造的電池板的使用壽命可達25年，但隨著環(huán)境的影響，太陽能電池板的材料會隨著時間的推移而老化。一般來說，20年功率下降30%，25年功率下降70%。

  制作流程

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  切片、清洗、制備絨面、周圍蝕刻、去除背面PN 結，上下電極，減反射膜，燒結，等10步。

  太陽能電池具體生產工藝說明

  (1) 切片:用多線切割，將硅棒切成方形硅片。

  （2） 清洗：用常規(guī)的硅片清洗方法清洗，然后用酸（或堿）溶液將硅片表面切割損傷層除去30－50um。

  （3） 制備絨面：用堿溶液對硅片進行各向異性腐蝕在硅片表面制備絨面。

  （4） 磷擴散：采用涂布源（或液態(tài)源，或固態(tài)氮化磷片狀源）進行擴散，制成PN+結，結深一般為0.3－0.5um。

  （5） 周邊刻蝕：擴散時在硅片周邊表面形成的擴散層，會使電池上下電極短路，用掩蔽濕法腐蝕或等離子干法腐蝕去除周邊擴散層。

  （6） 去除背面PN+結。常用濕法腐蝕或磨片法除去背面PN+結。

  （7） 制作上下電極：用真空蒸鍍、化學鍍鎳或鋁漿印刷燒結等工藝。先制作下電極，然后制作上電極。鋁漿印刷是大量采用的工藝方法。

  （8） 制作減反射膜：為了減少入反射損失，要在硅片表面上覆蓋一層減反射膜。制作減反射膜的材料有MgF2 ，SiO2 ，Al2O3 ，SiO ，Si3N4 ，TiO2 ，Ta2O5等。工藝方法可用真空鍍膜法、離子鍍膜法，濺射法、印刷法、PECVD法或噴涂法等。

  （9） 燒結：將電池芯片燒結于鎳或銅的底板上。

  （10）分檔：按規(guī)定參數規(guī)范，分類。

  方法

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  （1）由于太陽能組件的輸出功率取決于太陽輻照度和太陽能電池溫度等因素，因此太陽能電池組件的測量在標準條件下（STC）進行，標準條件定義為：

  大氣質量AM1.5， 光照強度1000W/m2，溫度25℃。

  （2）開路電壓：用500W的鹵鎢燈，0～250V的交流變壓器，光強設定為3.8~4.0萬LUX，燈與平臺的距離大約為15-20CM，直接值為開路電壓；

  （3）在該條件下，太陽能電池組件所輸出的非常大功率稱為峰值功率，在很多情況下，組件的峰值功率通常用太陽能模擬儀測定。影響太陽能電池組件輸出性能的主要因素有以下幾點：

  1）負載阻抗

  2）日照強度

  3）溫度

  4）陰影

  檢測與維護

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  1、檢查電池板有無破損，要做到及時發(fā)現，及時更換。

  2、檢查電池板連接線及地線是否接觸良好，有無脫落現象。

  3、檢查匯流箱接線處是否有發(fā)熱現象。

  4、檢查電池板支架有無松動和斷裂現象。

  5、檢查清理電池板周圍遮擋電池板的雜草。

  6、檢查電池板表面有無遮蓋物。

  7、檢查電池板表面上的鳥糞，必要時進行清理。

  8、對電池板的清潔程度進行鑒定。

  9、大風天氣應對電池板及支架進行重點檢查。

  10、大雪天應對電池板進行及時清理，避免電池板表面積雪凍冰。

  11、大雨應檢查所有的防水密封是否良好，有無漏水現象。

  12、檢查是否有動物進入電站對電池板進行破壞。

  13、冰雹天氣應對電池板表面進行重點檢查。

  14、對電池板溫度進行檢測，與環(huán)境溫度相比較進行分析。

  15、對所檢查出來的問題要要及時進行處理，分析、總結。

  16、對每次檢查要做詳細的記錄，以便于以后的分析。

  17、做分析總結記錄并歸檔。

  新型開發(fā)

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  新型涂層

  美國倫斯勒理工學院研究人員2008年開發(fā)出一種新型涂層，將其覆蓋在太陽能電池板上能使后者的陽光吸收率提高到96.2%，而普通太陽能電池板的陽光吸收率僅為70%左右。

  新涂層主要解決了兩個技術難題，一是幫助太陽能電池板吸收幾乎全部的太陽光譜，二是使太陽能電池板吸收來自更大角度的太陽光，從而提高了太陽能電池板吸收太陽光的效率。

  普通太陽能電池板通常只能吸收部分太陽光譜，而且通常只在吸收直射的太陽光時工作效率較高，因此很多太陽能裝置都配備自動調整系統，以保證太陽能電池板始終與太陽保持非常有利于吸收能量的角度。

  植物材料

  2013年2月18日，日本一個研究小組卻以木漿為原料，研發(fā)出一種新型太陽能電池板，這種“紙糊的”太陽能電池環(huán)保、廉價且超薄可彎曲，將來可能大有用武之地。

  為了保證透光率，通常太陽能電池板使用透明的玻璃或塑料。大阪大學產業(yè)科學研究所副教授能木雅也率領的研究小組以木漿中的植物纖維為原料，通過壓縮加工，成功研發(fā)出厚度僅有15納米的透明材料，并以此為基板，將光電轉換有機材料和配線用壓力嵌入，從而制成紙質太陽能電池