详解太阳能电池板

太阳能电池板（Solar panel）它是一种通过光电效应或光化学效应直接或间接将太阳辐射能转化为电能的装置。太阳能电池板的主要材料大多是硅，但由于生产成本高，其广泛使用仍有一定的局限性。

 与普通电池和可回收充电电池相比，太阳能电池是更节能、更环保的绿色产品。

       中文名  太阳能电池板 外文名Solar panel

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  1） 钢化玻璃 其作用为保护发电主体（如电池片），透光其选用是有要求的，1.透光率必须高(一般91%以上)；2.超白钢化处理

  2） EVA 用于粘结固定钢化玻璃和发电主体(如电池片)EVA材料的质量直接影响组件的使用寿命，暴露在空气中EVA容易老化发黄，影响组件的透光率，影响组件的发电质量EVA除了自身的质量，组件厂家的层压工艺也有很大的影响，比如EVA胶连度不达标，EVA与钢化玻璃和背板粘接强度不足会导致EVA早期老化，影响组件寿命。 

3）电池板的主要功能是发电。晶体硅太阳能电池板和薄膜太阳能电池板是发电市场的主流，各有优缺点。晶体硅太阳能电池板设备成本相对较低，但消耗和电池板成本较高，但光电转换效率也较高，更适合室外阳光发电；薄膜太阳能电池相对设备成本较高，但消耗和电池成本较低，但光电转换效率超过晶体硅电池板的一半，但弱光效应很好，也可以在普通照明下发电，如计算器上的太阳能电池。

  4）EVA功能如上，主要粘结封装发电主体和背板 太阳能电池板

  5） 背板 作用，密封、绝缘、防水(一般使用)TPT、TPE材料必须耐老化，大多数部件制造商保修25年，钢化玻璃、铝合金一般没有问题，关键是背板和硅胶是否能满足要求。

  6）铝合金保护层压件具有一定的密封和支撑作用

  7） 接线盒 保护整个发电系统，发挥电流中转站的作用。如果组件短路接线盒自动断开短路电池串，则防止整个系统烧坏。接线盒中非常重要的是二极管的选择。根据组件中电池板的类型，相应的二极管也不同

  8） 硅胶 用于密封组件与铝合金框架、组件与接线盒的交界处。硅胶用双面橡胶条和泡沫代替。硅胶广泛应用于中国。工艺简单，操作方便，成本低。

  材料分类

  目前，晶体硅材料（包括多晶硅和单晶硅）是非常重要的光伏材料，其市场份额在90%以上，长期以来仍是太阳能电池的主流材料。多晶硅材料的生产技术长期掌握在美国、日本、德国等国家7家工厂手中，形成技术封锁和市场垄断。多晶硅的需求主要来自半导体和太阳能电池。根据纯度要求，分为电子级和太阳能级。其中，电子级多晶硅约占55%，太阳能级多晶硅约占45%。随着光伏产业的快速发展，太阳能电池对多晶硅的需求增长率高于半导体多晶硅。预计到2008年，太阳能多晶硅的需求将超过电子级多晶硅。1994年，世界上只有太阳能电池的总产量69MW，而2004年就接近1200MW，短短10年就增长了17倍。

  晶体硅电池板：多晶硅太阳能电池、单晶硅太阳能电池。

  非晶硅电池板：薄膜太阳能电池、有机太阳能电池。

  化学染料电池板：染料敏化太阳能电池。

  柔性太阳能电池

  单晶硅

  单晶硅太阳能电池的光电转换效率约为18%，非常高为24%。这是所有类型太阳能电池中光电转换效率非常高的，但生产成本很高，不能广泛使用。由于单晶硅一般用钢化玻璃和防水树脂包装，坚固耐用，使用寿命可达25年。

  多晶硅

  多晶硅太阳能电池的生产工艺与单晶硅太阳能电池相似，但多晶硅太阳能电池的光电转换效率大大降低，其光电转换效率约为16% (2004年7月1日，日本夏普上市效率为14.8世界上非常高效的多晶硅太阳能电池是%)。就生产成本而言，它比单晶硅太阳能电池便宜。材料制造简单，节约电耗，总生产成本低，发展广泛。此外，多晶硅太阳能电池的使用寿命也比单晶硅太阳能电池短。就性能和价格比而言，单晶硅太阳能电池略好。

  非晶硅

  非晶硅太阳能电池是1976年出现的一种新型薄膜太阳能电池。它的生产方法与单晶硅和多晶硅太阳能电池完全不同。工艺流程大大简化，硅材料消耗少，功耗低。其主要优点是也可以在弱光条件下发电。然而，非晶硅太阳能电池的主要问题是光电转换效率低，国际先进水平约为10%，不稳定。随着时间的推移，转换效率下降。

  多种化合物

  多元化合物太阳能电池是指非单元半导体材料制成的太阳能电池。各国研究品种繁多，大部分尚未工业化生产，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)铜锆硒太阳能电池(新型多元带梯度梯度)Cu(In,Ga)Se2薄膜太阳能电池)

  Cu(In,Ga)Se2它是一种性能优异的太阳能吸收材料，具有梯度能带间隙（导带与价带之间的能级差）的多元化半导体材料，可扩大太阳能吸收光谱的范围，提高光电转化效率。在此基础上，可设计薄膜太阳能电池，其光电转换效率明显高于硅膜太阳能电池。可达到的光电转换率为18%。此外，到目前为止，有发现光辐射导致性能下降的影响（SWE），与商用薄膜太阳能电池板相比，其光电转化效率大大提高50~75%，是世界上薄膜太阳能电池中光电转化效率非常高的水平。

  柔性电池

  与传统的太阳能电池相比，柔性薄膜太阳能电池是有区别的。

  常规太阳能电池一般在两层玻璃中间EVA材料和电池板的结构，这样的组件重量较重，安装时需要支架，不易移动。

  柔性薄膜太阳能电池不需要玻璃背板和盖板，重量比双层玻璃太阳能电池组件轻80%pvc背板和ETFE薄膜盖板的柔性电池板甚可以随意弯曲，便于携带。安装时不需要特殊支架，可以方便地安装在屋顶和帐篷顶部。

  缺点是光电的转换效率低于常规晶硅组件。

  应用领域

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  1.用户太阳能电源:(1)小电源10-100W不等于高原、岛屿、牧区、边防哨所等军民生活用电等偏远无电地区；(2)3-5KW家庭屋顶并网发电系统；(3)光伏水泵解决无电地区深水井饮用灌溉问题。

  2. 交通领域:如航标灯、交通/铁路信号灯、交通警示/标志灯、宇翔路灯、高空障碍灯、高速公路/铁路无线电话亭、无人值守道路供电等。

  3. 通信/通信领域:太阳能无人值守微波中继站、光缆维护站、广播/通信/寻呼电源系统；农村载波电话光伏系统、小型通信机、士兵GPS供电等。

  4. 石油、海洋、气象领域:油管及水库闸门阴极保护太阳能电源系统、油钻平台生活及应急电源、海洋检测设备、气象/水文观测设备等。

  5.灯具电源：如庭院灯、路灯、手提灯、野营灯、登山灯、钓鱼灯、黑灯、割胶灯、节能灯等。

  6.光伏电站：10KW-50MW独立光伏电站、风景(柴)互补电站、各种大型停车场充电站等。

  7.太阳能建筑：将太阳能发电与建筑材料相结合，使未来大型建筑实现电力自给，是未来的主要发展方向。

  8.其他领域包括:(1)与汽车配套：太阳能汽车/电动汽车、电池充电设备、汽车空调、通风机、冷饮箱等（2）太阳能氢加燃料电池再生发电系统；（3）海水淡化设备供电；（4）卫星、航天器、空间太阳能电站等。

  发电原理

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  太阳能电池是一种对光有反应的装置，可以将光能转化为电力。有许多材料可以产生光伏效应，如单晶硅、多晶硅、非晶硅、砷化镓、硒锆铜等。它们的发电原理基本相同，现在以晶体硅为例来描述光发电过程。P晶体硅可以通过掺杂磷获得N型硅，形成P-N结。

  当光照射太阳能电池表面时，部分光子被硅材料吸收；光子的能量传递给硅原子，使电子跳跃，成为自由电子P-N两侧聚集形成电位差。当外部连接电路时，在电压的作用下，电流通过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的本质是光子能量转化为电能的过程。

  1、太阳能发电有两种方式，一种是光热电转换，另一种是光电直接转换。

  (1) 光-热-电转换通过太阳辐射产生的热能发电，通常由太阳能集热器吸收的热能转换

  太阳能电池板

  用工质蒸汽代替，然后驱动汽轮机发电。前一个过程是光热转换过程；后一个过程是热电转换过程，与普通火电相同。太阳能热发电的缺点是效率低，成本高。据估计，其投资少比普通火电站贵5～10倍。一座1000MW太阳能热电站需要投资20～25平均1亿美元1kW的投资为2000～2500美元。因此，适用于小规模特殊场合，大规模使用经济不划算，无法与普通火电站或核电站竞争。

  （2） 光电直接转换是利用光电效应将太阳辐射能直接转化为电能，光电转换的基本装置是太阳能电池。太阳能电池是一种由于光伏特性而直接将太阳能转化为电能的装置。它是一种半导体光电二极管。当太阳照在光电二极管上时，光电二极管将太阳的光能转化为电能并产生电流。当许多电池串联或并联时，它们可以成为输出功率较大的太阳能电池方阵。太阳能电池是一种很有前途的新电源，具有长久性、清洁性和灵活性三大优点.太阳能电池寿命长，只要太阳存在，太阳能电池就可以长期使用；与火力发电和核能发电相比，太阳能电池不会造成环境污染；太阳能电池可以大、中、小，大到数百万千瓦的中型电站，小到只有一个家庭的太阳能电池组，这是其他电源无法比拟的

  功率计算

  太阳能交流发电系统由太阳能电池板、充电控制器、逆变器和电池组成；太阳能直流发电系统不包括逆变器。为了使太阳能发电系统为负载提供足够的电源，应根据电器的功率合理选择各部件。以下内容100W以输出功率为例，每天使用6小时，介绍计算方法：

  1.首先，计算每天消耗的瓦时数（包括逆变器的损耗）：如果逆变器的转换效率为90%，则输出功率为100W当实际需要输出功率时100W/90%=111W；如果每天使用5小时，输出功率为111W*5小时=555Wh。

  2.计算太阳能电池板：根据每天6小时的有效日照时间，考虑到充电效率和充电过程中的损失，太阳能电池板的输出功率应为555Wh/6h/70%=130W。其中70%是太阳能电池板在充电过程中的实际功率。

  发电效率

  单晶硅太阳能的光电转换效率非常高达24%，是目前所有类型太阳能电池中光电转换效率非常高的。然而，单晶硅太阳能电池的生产成本非常高，因此不能广泛使用。就生产成本而言，多晶硅太阳能电池比单晶硅太阳能电池便宜，但多晶硅太阳能电池的光电转换效率大大降低。此外，多晶硅太阳能电池的使用寿命也比单晶硅太阳能电池短。因此，就性能和价格比而言，单晶硅太阳能电池略好。

  研究人员发现，一些化合物半导体材料适用于太阳能光电转化膜。CdS,CdTe；Ⅲ-V化合物半导体：GaAs,AIPInP等等；由这些半导体制成的薄膜太阳能电池具有良好的光电转换效率。具有梯度和多间隙的半导体材料可以扩大太阳能吸收光谱的范围，从而提高光电转换效率。使薄膜太阳能电池具有广阔的前景。在这些多种半导体材料中Cu(In,Ga)Se2它是一种性能优异的太阳能吸收材料。在此基础上，可设计光电转换效率明显高于硅的薄膜太阳能电池，光电转换率为18%.

  使用寿命

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  太阳能电池板由电池板、钢化玻璃制成，EVA，TPT由于材料的决定，使用较好材料的制造商制造的电池板的使用寿命可达25年，但随着环境的影响，太阳能电池板的材料会随着时间的推移而老化。一般来说，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、制备绒面、周围蚀刻、去除背面PN 结，上下电极，减反射膜，烧结，等10步。

  太阳能电池具体生产工艺说明

  (1) 切片:用多线切割，将硅棒切成方形硅片。

  （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）分档：按规定参数规范，分类。

  方法

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  （1）由于太阳能组件的输出功率取决于太阳辐照度和太阳能电池温度等因素，因此太阳能电池组件的测量在标准条件下（STC）进行，标准条件定义为：

  大气质量AM1.5， 光照强度1000W/m2，温度25℃。

  （2）开路电压：用500W的卤钨灯，0～250V的交流变压器，光强设定为3.8~4.0万LUX，灯与平台的距离大约为15-20CM，直接值为开路电压；

  （3）在该条件下，太阳能电池组件所输出的非常大功率称为峰值功率，在很多情况下，组件的峰值功率通常用太阳能模拟仪测定。影响太阳能电池组件输出性能的主要因素有以下几点：

  1）负载阻抗

  2）日照强度

  3）温度

  4）阴影

  检测与维护

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  1、检查电池板有无破损，要做到及时发现，及时更换。

  2、检查电池板连接线及地线是否接触良好，有无脱落现象。

  3、检查汇流箱接线处是否有发热现象。

  4、检查电池板支架有无松动和断裂现象。

  5、检查清理电池板周围遮挡电池板的杂草。

  6、检查电池板表面有无遮盖物。

  7、检查电池板表面上的鸟粪，必要时进行清理。

  8、对电池板的清洁程度进行鉴定。

  9、大风天气应对电池板及支架进行重点检查。

  10、大雪天应对电池板进行及时清理，避免电池板表面积雪冻冰。

  11、大雨应检查所有的防水密封是否良好，有无漏水现象。

  12、检查是否有动物进入电站对电池板进行破坏。

  13、冰雹天气应对电池板表面进行重点检查。

  14、对电池板温度进行检测，与环境温度相比较进行分析。

  15、对所检查出来的问题要要及时进行处理，分析、总结。

  16、对每次检查要做详细的记录，以便于以后的分析。

  17、做分析总结记录并归档。

  新型开发

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  新型涂层

  美国伦斯勒理工学院研究人员2008年开发出一种新型涂层，将其覆盖在太阳能电池板上能使后者的阳光吸收率提高到96.2%，而普通太阳能电池板的阳光吸收率仅为70%左右。

  新涂层主要解决了两个技术难题，一是帮助太阳能电池板吸收几乎全部的太阳光谱，二是使太阳能电池板吸收来自更大角度的太阳光，从而提高了太阳能电池板吸收太阳光的效率。

  普通太阳能电池板通常只能吸收部分太阳光谱，而且通常只在吸收直射的太阳光时工作效率较高，因此很多太阳能装置都配备自动调整系统，以保证太阳能电池板始终与太阳保持非常有利于吸收能量的角度。

  植物材料

  2013年2月18日，日本一个研究小组却以木浆为原料，研发出一种新型太阳能电池板，这种“纸糊的”太阳能电池环保、廉价且超薄可弯曲，将来可能大有用武之地。

  为了保证透光率，通常太阳能电池板使用透明的玻璃或塑料。大阪大学产业科学研究所副教授能木雅也率领的研究小组以木浆中的植物纤维为原料，通过压缩加工，成功研发出厚度仅有15纳米的透明材料，并以此为基板，将光电转换有机材料和配线用压力嵌入，从而制成纸质太阳能电池