鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：788次 | 2019年01月22日
太陽發(fā)電技術(shù)綜述
一、太陽發(fā)電的兩種主要技術(shù)途徑
1光伏發(fā)電
通過光電轉(zhuǎn)化裝置直接將光能轉(zhuǎn)化為電能稱為“太陽能發(fā)電”，或者“光伏發(fā)電”。
太陽輻射的光子具有能量，根據(jù)量子力學(xué)中能量量子化理論可知，光子能量E=h=，其中h為普朗克常數(shù)，=h/2π稱作約化普朗克常數(shù)，和分別為光子的頻率和圓頻率，二者的值與光子的波長成反比，因此光子的能量是光子波長的函數(shù)，波長越長，能量越低，波長越短，能量越高。
迄今為止，光伏發(fā)電技術(shù)的主流依然是以硅基太陽電池為代表的半導(dǎo)體發(fā)電技術(shù)，其主要工作原理是照射到半導(dǎo)體上的光子激發(fā)半導(dǎo)體價帶中的電子至導(dǎo)帶，在PN結(jié)內(nèi)建電場作用力的驅(qū)動下，電子-空穴自動分開，從而形成可以為外部負(fù)載利用的高能熱電子。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
目前太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率仍然比較低，不能很好的滿足商業(yè)化要求，就硅太陽電池而言，致使效率低主要來自三方面：第一，光電池的半導(dǎo)體材料的禁帶寬度一般由材料種類決定，然而太陽光譜具有廣泛的頻率（波長）分布，根據(jù)能量守恒原理，能量低（小于Eg）的光子不可能激發(fā)價帶電子到達(dá)導(dǎo)帶，只能被散射或者穿過體材，這部分光子對光電轉(zhuǎn)換效率是沒有貢獻(xiàn)的。第二，高能光子（遠(yuǎn)大于Eg）雖然能夠激發(fā)產(chǎn)生熱電子，但是根據(jù)能量守恒定律，必然還有△E=-Eg的能量以聲子的形式傳遞給了晶格，最終以熱能的形式耗散掉，雖然這部分高能光子的能量對光電轉(zhuǎn)換效率是有貢獻(xiàn)的，但是也遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到100%。第三，縱使價帶電子已經(jīng)被激發(fā)至導(dǎo)帶，倘若沒有其他負(fù)離子或者電子及時補(bǔ)充給價帶中留下空穴，那么價帶中的熱電子也會由于電子-空穴間的庫倫作用力很容易地躍遷回價帶，
而大大降低了電池的電流I，又P=IV，，從而對光電轉(zhuǎn)換效率產(chǎn)生了很大的消極影響。
針對以上降低太陽電池效率的三點(diǎn)因素，可以在以下幾方面做出努力：第一，由太陽光譜圖可知，無論是在大氣層外還是經(jīng)過大氣層散射、吸收、反射之后到達(dá)地表的太陽光譜能量都主要集中在可見光區(qū)域（400-800nm），從整體能量分布來看，主要分布在400-1500nm范圍，經(jīng)過簡單計(jì)算（E=h(c/)），其對應(yīng)的能量范圍為0.83-3.11eV，考慮到更多的能量是分布在短波區(qū)域，因此從轉(zhuǎn)換效率而言，對單結(jié)太陽電池，半導(dǎo)體材料的最佳禁帶寬度應(yīng)該取在1.4-1.6eV左右。
實(shí)際上，無論是理論計(jì)算還是實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，單結(jié)太陽電池對光電轉(zhuǎn)換效率的博弈能力都是極其有限、表現(xiàn)平庸的。為了更加充分地利用利用廣泛波譜范圍的光能，人們構(gòu)想了多結(jié)太陽電池，這種電池從上表面往下依次吸收能量逐漸降低的光子，具有較大的光電流，實(shí)踐證明這種電池確實(shí)可以憑借不同結(jié)材料廣泛吸收各種波長的光子，從而大大提高了光電轉(zhuǎn)換效率。
但是，如果從本質(zhì)上講，多結(jié)太陽電池并沒有從根本原理上改變太陽電池的缺陷，因?yàn)檫@種辦法之所以可以提高太陽電池的效率，充其量歸因于原來各種低效率電池的低效率疊加，即每個結(jié)就是一個傳統(tǒng)太陽電池，故而。不管怎么說這種辦法確實(shí)是提高了電池效率。
IP67防水，充放電分口 安全可靠
標(biāo)稱電壓：28.8V
標(biāo)稱容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測繪、無人設(shè)備
上世紀(jì)90年代，瑞士科學(xué)家提出一種新型的太陽電池-量子點(diǎn)太陽電池。這種電池工藝簡單、成本低廉、環(huán)境友好。我在本科畢設(shè)期間制作過CdS單結(jié)量子點(diǎn)太陽電池，其基本工作原理為：在TiO2多孔結(jié)構(gòu)中生長CdS量子點(diǎn)，透過透明導(dǎo)電玻璃的光子照射在CdS量子點(diǎn)上，激發(fā)產(chǎn)生熱電子，由于TiO2的導(dǎo)帶低略微低于CdS導(dǎo)帶低，因此CdS的熱電子像流水一樣悄悄流向TiO2，進(jìn)而通過導(dǎo)電玻璃流出電池被負(fù)載使用。為了降低電子-空穴的復(fù)合效應(yīng)，最初是的辦法是采用液態(tài)離子（如碘離子等）滲入TiO2孔洞迅速復(fù)合空穴阻止熱電子向下躍遷，憑此保證電池電流不會很小。
這種辦法與PN結(jié)型太陽電池相比原理是根本不同的，具有諸多優(yōu)點(diǎn)的同時，也帶來了需要研究的問題。首先，電解液的穩(wěn)定性很難得到保證，隨著使用時間的延長，電解液的溶液（如酒精）會揮發(fā)殆盡，電池壽終正寢。其次就是如何得到顆粒大小完美的量子點(diǎn)。倘若顆粒太小，光子吸收率必然大打折扣，如果顆粒太大，堵塞了TiO2孔洞，電解質(zhì)不能及時進(jìn)入孔洞與CdS空穴復(fù)合，進(jìn)而不可避免地增加了電子-空穴復(fù)合幾率。
以上兩個問題中第一個，科學(xué)家們試圖制作固態(tài)電解質(zhì)來避免揮發(fā)問題，目前尚未找到可以保證光電轉(zhuǎn)換效率很高的固態(tài)電解質(zhì)。第二個問題顯然是個優(yōu)化問題，最佳的顆粒大小應(yīng)該是使TiO2表面布滿CdS量子點(diǎn)同時保證孔洞尚未堵塞（我的實(shí)驗(yàn)表明隨著沉積CdS次數(shù)的增加，光電轉(zhuǎn)換效率先增加后降低，過了最佳沉積次數(shù)之后，由于顆粒較大，孔洞已經(jīng)部分處于半阻塞狀態(tài)，當(dāng)然效率下降可能并非完全歸于于這一點(diǎn)，顆粒的增大使量子效應(yīng)減弱也可能是降低效率的因素之一）。
2太陽熱發(fā)電
通過收集太陽熱輻射能間接轉(zhuǎn)化為電能稱為“太陽熱發(fā)電”。
具體實(shí)現(xiàn)方式是通過集熱裝置將太陽輻射的熱能集中，驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電。熱發(fā)電機(jī)一般包括集熱系統(tǒng)、熱傳輸系統(tǒng)、蓄熱儲能系統(tǒng)、熱機(jī)、發(fā)電機(jī)等。雖然太陽輻射到地球表面的總能量是龐大的，但是能流密度卻是很小的，分布廣泛而分散。目前主要有兩種利用方式：聚光式和聚熱式。
聚光式系統(tǒng)的集熱部分由聚光器、跟蹤定位器、吸收器構(gòu)成。傳輸部分由管道和介質(zhì)構(gòu)成，介質(zhì)通常為水或空氣。儲熱部分用來保證發(fā)電的連續(xù)性，介質(zhì)多為熔鹽。
西班牙太陽能發(fā)電塔是典型的聚光發(fā)電技術(shù)。采用反射鏡將太陽光反射并聚集到接收器，接收器聚集太陽能并將其轉(zhuǎn)換為熱能，利用這種熱能產(chǎn)生熱蒸汽，推動渦輪發(fā)動機(jī)，切割磁場，從而發(fā)電。與半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換不同，由于熱量存儲技術(shù)，這種光電轉(zhuǎn)換方式能夠某種程度上克服多云天氣和夜間的影響。
二、太陽能電池發(fā)展的新概念和新方向
基于傳統(tǒng)太陽能電池的缺點(diǎn)，一些新概念設(shè)計(jì)已經(jīng)在太陽電池技術(shù)中顯現(xiàn)，從某種意義上說，預(yù)示了太陽電池發(fā)展的新趨勢。
1薄膜電池
硅基太陽電池的厚度已由上世紀(jì)70年代400-450下降到目前的200左右。但是隨著技術(shù)的發(fā)展也很難使厚度下降到80以下[4]。如果希望繼續(xù)削減厚度就需要需尋找新的半導(dǎo)體材料，如CIGS、GaAs、CdTe等。
電池器件的薄膜化有利于縮短光生載流子在器件中的擴(kuò)散距離，降低空穴-電子復(fù)合幾率，提高光電轉(zhuǎn)換效率。另一個好處是，器件薄膜化大大節(jié)約了原料，降低了生產(chǎn)成本。
2柔性電池
此種電池因其柔性而可以勝任于平板電池?zé)o法勝任的曲目地帶，甚至可以成卷生產(chǎn)，便于規(guī)模化、商業(yè)化，輕盈的質(zhì)量使其便于攜帶成為了可能。
3染料敏化太陽電池
染料敏化太陽電池被國際公認(rèn)為第三代太陽電池，具有諸多競爭優(yōu)勢。首先，電池制備工藝十分簡單，無需昂貴又耗能的高溫和高真空，也無需高純材料，只需簡單的化學(xué)工藝即可。從成本的角度，只是普通硅基太陽電池的1/3-1/5。此種電池可以薄膜化、柔性化，轉(zhuǎn)化效率也比較高。
它的缺點(diǎn)也是明顯的，液態(tài)電解液的泄漏、揮發(fā)引起的封裝困難和長期穩(wěn)定性限制了它的發(fā)展。為了解決這個問題，研究人員將固態(tài)電解質(zhì)取代液態(tài)電解質(zhì)，解決了封裝問題，但是由于離子在其中的擴(kuò)散速度慢，使電池的暗電流增大，導(dǎo)致光電轉(zhuǎn)換效率降低，同時電解質(zhì)中存在的光腐蝕現(xiàn)象也不容忽視。一種比較理想的嘗試是采用凝膠電解液，液態(tài)電解質(zhì)貫穿于交聯(lián)高分子三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中形成兩相體系，電解液以連續(xù)液相存在于高分子三維網(wǎng)絡(luò)中，較大程度地保持了電解質(zhì)離子在其中的擴(kuò)散速率，進(jìn)而獲得較高的光電轉(zhuǎn)換效率；同時高分子骨架能有效地減少溶劑揮發(fā)，保持了良好的穩(wěn)定性。
燃料敏化太陽電池應(yīng)用廣泛，前景光明。小到手機(jī)充電器、MP3播放器，大到建筑屋頂太陽發(fā)電，燃料敏化太陽電池?zé)o所不能。
4量子點(diǎn)太陽電池
2002年美國國家能源實(shí)驗(yàn)室Nozik和澳大利亞新南威爾士大學(xué)Green兩個小組的研究同時指出：某些半導(dǎo)體量子點(diǎn)在被光譜末端的藍(lán)光或高能紫外線轟擊時，能釋放兩個或兩個以上電子。2004年美國新墨西哥州洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室首次證明看上述結(jié)論[7]。簡單地說就是量子點(diǎn)可以超過100%的量子產(chǎn)額。
基于上述，人們認(rèn)為利用量子結(jié)構(gòu)的量子限制效應(yīng)和能級分立特性，將其應(yīng)用于太陽電池。目前尚處于理論探索和初步嘗試階段，潛在價值不可估量。
