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电池知识

柔性非晶硅薄膜太阳能电池技术有哪些优点?它环保吗?

来源:宝鄂实业    2019-04-24 20:32    点击量:
       目前非晶硅薄膜太阳能电池成本低,原材料取得容易,其弱光下也可发电(晶硅太阳能电池只能在强光下发电),同时未来建材一体型太阳能电池板(BIPV)需要电池可透光性,而晶硅太阳能电池无法透光,促使薄膜太阳能电池飞速发展但非晶硅薄膜太阳能电池目前的转换效率只有5%—8%,与晶硅太阳能电池16%相比有较大的差异,同时非晶硅薄膜太阳能电池有光稳定性的问题,即在电池长期强光照射下,转换效率会降低的光劣化现象。因此微晶硅太阳能电池开始发展,微晶硅光谱吸收范围广大,更具有不易出现光劣化效应的优点,与非晶硅薄膜太阳能电池形成两层(Tanden)或多层接合的太阳能电池,转换效率可提升到10%—12%。Tanden型非晶硅薄膜太阳能比晶硅太阳能电池有更好的性价比,为未来几年发展的主流。

在过去的几十年中,人类经济活动的持续高速发展使得电力需求迅速增加。太阳电池是一种利用光生伏特效应将太阳能能直接转换为电能的半导体器件,很容易实现并网发电或作为独立能源。众所周知,太阳电池发电具有许多优点,如安全可靠,无噪声,无污染,能量随处可得,不受无需消耗燃料、无机械转动部件、故障率低、维护方便、可以无人值守、规模大小随意、可以方便地与建筑物相结合等,这些优点都是常规发电所不及的。

目前,太阳电池发电在航天、通讯及微电子领域已占据了不可替代的位置,但在社会整体能源结构中所占比例很小,主要原因是太阳电池成本较高,要使其真正成为能源体系的组成部分,必须大幅度降低成本。薄膜太阳电池在降低成本方面比晶体硅(单晶或多晶)太阳电池具有更大的优势,一是实现薄膜化后,可极大地节省昂贵的半导体材料;二是薄膜电池的材料制备和电池同时形成,因此节省了许多工序;三是薄膜太阳电池采用低温工艺技术,不仅有利于节能降耗,而且便于采用廉价衬底(玻璃、不锈钢等)。为此,自上世纪70年代以来,世界各国纷纷投入巨资,制定规划,组织队伍,掀起对薄膜太阳电池的研究热潮,三十几年来在研究和开发应用方面均取得了长足的进步。

薄膜太阳电池主要涉及非晶硅(a-Si:H)、铜铟镓硒(Cu(In、Ga)Se2,CIGS)和碲化镉(CdTe)光伏电池和集成组件,在本文中主要讨论的是目前商业化最成熟的非晶硅太阳电池。薄膜太阳电池按衬底分为硬衬底和柔性衬底两大类。所谓柔性衬底太阳电池是指在柔性材料(如不锈钢、聚酯膜)上制作的电池,与平板式晶体硅、玻璃衬底的非晶硅等硬衬底电池相比,其最大的特点是重量轻、可折叠和不易破碎。以美国Uni-Solar公司采用不锈钢作衬底为例,不锈钢的厚度仅为127um,且具有极好的柔软性,可以任意卷曲、裁剪、粘贴,既使弯成很小的半径,作数百次卷曲,电池性能也不会发生变化。而以高分子聚合物聚酰亚胺为柔性衬底制备的非晶硅太阳电池,器件总厚度约100um左右(含封装层),功率重量比可达到500W/Kg以上,比不锈钢衬底非晶硅电池高出近十倍,是世界上最轻的太阳电池。从制备工艺上看,由于此结构电池采用卷对卷(roll to roll)工艺制造,便于大面积连续生产,降低成本的潜力很大,具有很强的竞争力。

柔性衬底太阳电池能被安置在流线型汽车的顶部、帆船、赛艇、摩托艇的船舱等不平整表面、房屋等建筑物的楼顶与外墙面。另外由于柔性薄膜电池具有较高的质量比功率(500W/kg),同时具有可弯曲性,非常适用于对地观测的平流层飞艇表面,军事上的利用前景光明。

近年来,国外推行的光伏与建筑相结合(BIPV),极大地推动了光伏并网系统的发展。在城镇建筑物上安装的光伏系统,通常采用与公共电网并网的形式。并网光伏系统不需要配备蓄电池,既节省投资,又不受蓄电池荷电状态的限制,可以充分利用光伏系统所发出的电力;光伏阵列一般安装在闲置的屋顶或外墙上,无需额外占用土地,这对于土地昂贵的城市建筑尤其重要;夏天是用电高峰的季节,也正好是日照量最大,光伏系统发电量最多时期,对电网可以起到调峰作用;光伏阵列吸收太阳能转化为电能,大大降低了室外综合温度,减少了墙体得热和室内空调冷负荷,所以也可以起到建筑节能作用。

BIPV的开发是目前世界上大规模利用光伏技术发电的一大研究热点,西方发达国家都在作为重点项目积极进行。除了在屋顶安装光伏电池板外,已推出了把光伏电池装在瓦片内的产品。此外,国外还在研究光伏墙结构(PV WALL),将光伏系统和建筑物外墙相结合。可以预计,光伏与建筑相结合是未来光伏应用中最重要的领域之一,其发展前景十分广阔,并且有着巨大的市场潜力,柔性衬底薄膜电池无疑将在其中扮演重要角色。

二柔性衬底薄膜太阳电池的结构柔性衬底太阳电池可采用单结或多结结构。单结结构因其稳定性差、效率低已较少采用,而稳定性好、效率高的多结、叠层太阳电池是柔性衬底太阳电池的发展方向,目前多采用三结太阳电池结构。三结太阳电池中,每一个电池都是由三个半导体结相互叠加而成:底电池吸收红光;中间电池吸收绿光;顶电池吸收蓝光;对阳光光谱的宽范围响应是提高电池效率的关键。美国Uni-Solar公司的不锈钢衬底、三结非晶硅锗太阳电池结构如图3所示,其小面积电池效率目前达到14.6%。

三柔性衬底薄膜太阳电池的国内外现状当前商业化非晶硅电池的稳定效率,单结、双结、三结分别为4%~5%,6%~7%,7%~8%。世界上从事柔性衬底薄膜太阳能电池的研制生产的主要单位是美国的联合太阳能公司(United Solar),欧洲的VHF-technologies公司,和日本的Sharp公司,Sanyo公司。

美国光伏计划的重点是“Thin Film Partnership Program”,着重研究廉价高效薄膜太阳电池,预计到2020年左右,光伏发电的成本可望同燃油发电相竞争(相当于电池效率15%,每平方米成本≤50美元)。

美国United Solar Systems公司是Energy Conversion Devices,Inc.(ECD)和N.V.Bekaert S.A(BESS Europe)合资经营,2003年建立了一条同时沉积6卷不锈钢卷带三结叠层非晶硅电池生产线,年产30MW,初始效率和稳定效率分别达到14.6%和12.6%。2006年为50MW,2007年达100MW,2010年的目标是300MW。

美国Toledo大学在柔性衬底非晶硅太阳电池领域的研究处于世界领先地位,其单结非晶硅锗电池实验室初始效率达到了13%,他们的技术团队参与组建了MWOE和Xunlight公司,并在积极筹划更大的产能。

日本在柔性衬底太阳电池的研究方面也走在世界前列。在日本,Sharp公司、Sanyo公司、TDK公司、Fuji公司都投入了大量人力、物力从事柔性衬底非晶硅太阳电池的研制,已经建成了多条兆瓦量级的聚酯膜柔性电池生产线。Sanyo公司最早在无人驾驶的太阳能飞机上采用了柔性衬底非晶太阳电池作为能源,完成了横跨美洲大陆的飞行,显示了柔性非晶薄膜太阳电池作为飞行器能源的巨大潜力。Sharp公司、TDK公司在聚酯膜上制备的非晶硅太阳电池目前已能生产面积为286cm2的组件,效率已达8.1%,小面积电池的效率已达11.1%。Fuji公司a-Si/a-SiGe叠层电池稳定效率达到9%,在日本Kumamoto建立了工厂,塑料衬底非晶硅电池的产量2006年达15MW。

欧盟则联合其成员国的多个研究机构组织包括Neuchatel大学、VHF-technologies公司、Roth&Rau公司等开展了聚酯膜衬底柔性电池的联合攻关,目前已经实现了小批量的生产线。欧盟于2005年10月1日启动了“FLEXCELLENCE”项目,为期3年,目标是开发出高效率薄膜电池组件卷对卷生产的设备和工艺,建成50兆瓦以上的柔性电池生产线,并希望将生产成本控制在每瓦0.5欧元。据2007年的报道,目前Neuchatel大学的聚酯膜衬底非晶硅叠层电池实验室效率达到10.8%,VHF-technologies公司的年产能为25MW。

我国的柔性衬底薄膜电池的研究进展较慢。哈尔滨Chrona公司在90年代中期曾研制出柔性聚酰亚胺衬底上的非晶硅单结薄膜电池,电池初始效率为4.63%,功率重量比为231.5W/kg,但此后进展不大。近年来南开大学在柔性衬底非晶硅薄膜电池方面的研究取得了一定的进展,他们在0.115cm2的聚酰亚胺衬底上获得单结薄膜电池的初始效率为4.84%,功率重量比为341W/kg。

柔性衬底电池的产业化方面,目前天津津能电池有限公司在建6MW非晶硅柔性电池生产线,30MW生产线已经开始了项目论证,新疆天富光伏光显有限公司在建1MW非晶硅柔性电池生产线,未来准备建立8MW。这两家公司都由于设备及技术由国外进口,预计电池成本偏高。总的来说,国内目前具备了非晶硅薄膜电池研制的技术基础,但是在柔性衬底上的研究还处于刚刚起步的阶段,和国外的差距较大。

四柔性衬底薄膜太阳电池的制备下面以美国Uni-Solar公司的不锈钢柔性衬底三结非晶硅太阳电池为例简单介绍卷对卷(roll to roll)生产过程。

将成卷不锈钢带(带磁性)装入专用清洗机中,采用卷对卷方式进行钢带传送,对钢带两个表面同时进行清洗、干燥。首先磁控溅射沉积金属和金属氧化层,以增强衬底的反射率。然后采用等离子体化学气相沉积法(PECVD)沉积非晶硅层,以形成叠层太阳电池结构,这是整个制造过程中最关键的工艺步骤。对于三结非晶硅太阳电池来说,需要在已经做好的背反射器的表面连续沉积9层硅基薄膜,包括3个P-I-N结子电池,各分离的反应室之间需要设计独特的气氛隔离室以防止相邻反应室间的气体交叉污染。硅基薄膜沉积完成之后,需在电池顶部沉积铟锡氧化物(ITO),即透明导电氧化层作为入射光的减反射层。然后需要在光入射一面布置栅线,并根据最后电池的尺寸和形状,进行切割、电极接合、电池切割和电池互联,从而构成具有一定参数的电池组件。该生产线的年产量为30MW,造价为6000万美元,90米长,3米高,以厚度127μm的不锈钢(长2.6km,宽36cm)为衬底采用roll to roll技术来制备大面积柔性衬底非晶硅太阳电池,有以下关键技术问题需要解决:非晶硅薄膜的高速沉积;大面积薄膜生长时的均匀性;各反应室间气体隔离装置的开发;实时监控与诊断等等。整个roll to roll生产线的开发是一个国家综合工业实力和基础的体现。

现在,具有强大功能的智能手机已成为大多数手机用户的首选,但由于智能手机高耗电的特性,给电池频繁充电也让人感到恼火,下面的省电妙招可让你的智能手机电池更耐用。

降低屏幕亮度。智能手机的大显示屏是耗电大户,它的耗电量超过手机里的其他部件。大多数智能手机都具有自动调节亮度的功能,显示屏能自动调节到适合外界环境的亮度,这种模式比较省电。如果将亮度调节到你能接受的最暗水平,电池的耐用性会显着提高。

调低屏幕背光超时数值。智能手机的“显示设置”菜单里,有个“屏幕背光超时”的选项,这个选项的数值表示用户在操作手机后屏幕保持亮度的时间,超过这个时间,屏幕将变暗。在大多数Android操作系统的智能手机中,该数值的最小值为15秒,如果你的手机中该数值为2分钟,可以根据你的使用习惯设为15秒至30秒之间。

关掉蓝牙。如果你在公交车上,在电影院内,或者是在餐厅内,你打开蓝牙进行搜索,经常会搜索到好几个蓝牙开启的手机。蓝牙系统启动后,不论它是否与其他蓝牙系统通讯,它总是在不断地侦听外界的无线电信号,这样会消耗不必要的电能。

关掉Wi-Fi 。跟蓝牙一样,不论是否与外界设备相连,Wi-Fi也同样总是在不断地侦听外界的无线电信号。所以,在离开Wi-Fi环境,无法使用无线网络服务的时候,将Wi-Fi关掉。

用好GPS。GPS是手机里另一个耗电大户。GPS通过无线电信号与导航卫星通讯,来对手机进行地理定位。有很多手机应用程序会访问你的GPS系统来提供一些服务信息,如帮你找到离你最近的餐厅或者帮你登录社交网站等,手机用户可以取消这些应用程序访问GPS的请求,节省电能。在安装应用程序的时候,一些应用程序会问你是否允许应用程序使用你的定位信息,当你不太确定的时候,就应该阻止它使用。

关闭无关的应用程序。智能手机的魅力之一就是同一时间能运行多个应用程序,不过这需要大量电能来支撑,多运行一个应用程序就多消耗电能。所以,关闭一些不必要的应用程序,处理器的工作负载就会降低,从而减少能耗。

关闭震动。使用震动比使用铃声消耗的电量要多得多。手机扬声器的震动膜仅需一点电能就能发出声音,而震动电机要来回摇摆一个小摆锤来震动你的手机。如果在开会或者其他不想被声音打扰的环境下,关闭震动,将手机放在一个视线能及之处,可以看到来电闪烁就行了。

关闭不必要的提醒。几乎每一个应用程序都会在后台自动访问互联网以获得更新、新闻等。当应用程序找到更新或新闻时,它就会发出鸣响或点亮手机屏幕来显示相关信息。为了节省电能,以及消除这些提醒对你的打扰,毫不犹豫地禁用这些提醒吧。

Android手机的省电模式。较新版本的Android手机有一个省电模式,它用来管理手机的电能消耗。省电模式可以阻止应用程序在后台进行更新,降低屏幕显示亮度,调低屏幕背光超时数值,禁用屏幕动画,关闭震动等。在缺省状态下,这种模式能在电池余量降至20%时启动,也可以将其设置为30%或40%时启动。设置得越高,越能较早进入省电模式,从而延长手机电池的寿命。

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