【文章內(nèi)容簡介】 效率衰退 效應(yīng)，穩(wěn)定性不高，直接影響了它的實(shí)際應(yīng)用。如果能進(jìn)一步解決穩(wěn)定性問題及提高轉(zhuǎn)換率問題，那么，非晶硅大陽能電池?zé)o疑是太陽能電池的主要發(fā)展產(chǎn)品之一。 下面對(duì)硅太陽能電池進(jìn)行詳細(xì)介紹。 2. 多元化合物薄膜太陽能電池 多元化合物薄膜太陽能電池材料為無機(jī)鹽，其主要包括砷化鎵 IIIV族化合物、硫化鎘、硫化鎘及銅錮硒薄膜電池等。 10 硫化鎘、碲化鎘多晶薄膜電池的效率較非晶硅薄膜太陽能電池效率高，成本較單晶硅電池低，并且也易于大規(guī)模生產(chǎn)，但由于鎘有劇毒，會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，因此，并不是晶體硅太陽能電池最理 想的替代產(chǎn)品。 砷化鎵（ GaAs） IIIV化合物電池的轉(zhuǎn)換效率可達(dá) 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(qiáng) ,對(duì)熱不敏感，適合于制造高效單結(jié)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。 銅銦硒薄膜電池（簡稱 CIS）適合光電轉(zhuǎn)換，不存在光致衰退問題，轉(zhuǎn)換效率和多晶硅一樣。具有價(jià)格低廉、性能良好和工藝簡單等優(yōu)點(diǎn)，將成為今后發(fā)展太陽能電池的一個(gè)重要方向。唯一的問題是材料的來源，由于銦和硒都是比較稀有的元素，因此，這類電池的發(fā) 展又必然受到限制。 3. 聚合物多層修飾電極型太陽能電池 以有機(jī)聚合物代替無機(jī)材料是剛剛開始的一個(gè)太陽能電池制造的研究方向。由于有機(jī)材料柔性好，制作容易，材料來源廣泛，成本底等優(yōu)勢，從而對(duì)大規(guī)模利用太陽能，提供廉價(jià)電能具有重要意義。但以有機(jī)材料制備太陽能電池的研究僅僅剛開始，不論是使用壽命，還是電池效率都不能和無機(jī)材料特別是硅電池相比。能否發(fā)展成為具有實(shí)用意義的產(chǎn)品，還有待于進(jìn)一步研究探索。 4. 納米晶太陽能電池 納米 TiO2 晶體化學(xué)能太陽能電池是新近發(fā)展的，優(yōu)點(diǎn)在于它廉價(jià)的成本和簡單的工藝及穩(wěn)定 的性能。其光電效率穩(wěn)定在 10％以上，制作成本僅為硅太陽電池的 1/5～1/10．壽命能達(dá)到 2O 年以上。但由于此類電池的研究和開發(fā)剛剛起步，估計(jì)不久的將來會(huì)逐步走上市場。 硅太陽能電池工作原理與結(jié)構(gòu) 太陽能電池發(fā)電的原理主要是半導(dǎo)體的光電效應(yīng)，一般的半導(dǎo)體主要結(jié)構(gòu) ，如 圖。 圖 11 圖 中，正電荷表示硅原子，負(fù)電荷表示圍繞在硅原子旁邊的四個(gè)電子。當(dāng)硅晶體中摻入其他的雜質(zhì)，如硼、磷等，當(dāng)摻入硼時(shí)，硅晶體中就會(huì)存在著一個(gè)空穴，它的形成可以參照?qǐng)D 所示。 圖 圖 中，正 電荷表示硅原子，負(fù)電荷表示圍繞在硅原子旁邊的四個(gè)電子。而 實(shí)心的表示摻入的硼原子，因?yàn)榕鹪又車挥?3個(gè)電子，所以就會(huì)產(chǎn)生入圖所示的 空心 的空穴，這個(gè)空穴因?yàn)闆]有電子而變得很不穩(wěn)定，容易吸收電子而中和，形成 P（ positive）型半導(dǎo)體。 同樣，摻入磷原子以后，因?yàn)榱自佑形鍌€(gè)電子，所以就會(huì)有一個(gè)電子變得非?；钴S，形成 N（ negative）型半導(dǎo)體。 實(shí)心 的為磷原子核， 小 的為多余的電子 ，如圖 所示 。 圖 PNE空間電荷區(qū)內(nèi)電場 圖 N型半導(dǎo)體中含有較多的空穴，而 P型半導(dǎo)體中含有較多的電子， 這 樣，當(dāng) P型和 12 N型 半導(dǎo)體結(jié)合在一起時(shí)，就會(huì)在接觸面 形 成電勢差，這就是 PN 結(jié) 。如圖 。 當(dāng) P 型和 N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時(shí)，在兩種半導(dǎo)體的交界面區(qū)域里會(huì)形成一個(gè)特殊的薄層 )，界面的 P 型一側(cè)帶負(fù)電， N 型一側(cè)帶正電。這是由于 P型半導(dǎo)體多空穴， N 型半導(dǎo)體多自由電子，出現(xiàn)了濃度差。 N 區(qū)的電子會(huì)擴(kuò)散到 P 區(qū)， P 區(qū)的空穴會(huì)擴(kuò)散到 N區(qū)，一旦擴(kuò)散就形成了一個(gè)由 N指向 P 的 “ 內(nèi)電場 ” ，從而阻止擴(kuò)散進(jìn)行。達(dá)到平衡后，就形成了這樣一個(gè)特殊的薄層形成電勢差，這就是 PN結(jié)。 當(dāng)晶片受光后， PN 結(jié)中， N型半導(dǎo)體的空穴往 P型區(qū)移動(dòng)，而 P型區(qū)中的電子往 N型區(qū) 移動(dòng)，從而形成從 N型區(qū)到 P型區(qū)的電流。然后在 PN結(jié)中形成 電 勢 差，這就形成了電源 ， 如圖 所示 。 前電極（ ）后電極（ + ）n 型（ p+ ）p 型（ B ）太陽光防反光涂層電流 圖 由于半導(dǎo)體不是電的良導(dǎo)體，電子在通過 p－ n 結(jié)后如果在半導(dǎo)體中流動(dòng)，電阻非常大，損耗也就非常大。但如果在上層全部涂上金屬，陽光就不能通過，電流就不能產(chǎn)生，因此一般用金屬網(wǎng)格覆蓋 p－ n結(jié) ， 如圖 ，以增加入射光的面積。 另外硅表面非常光亮，會(huì)反射掉大量的太陽光，不能被電池利用。為此，科學(xué)家們給它涂上了一層反射系數(shù)非常小的保護(hù)膜 ， 如圖 所示 ，將反射損失減小到 5％甚至更小。一個(gè)電池所能提供的電流 和電壓畢竟有限，于是人們又將很多電池（通常是 36個(gè)）并聯(lián)或串聯(lián)起來使用，形成太陽能光電板。 蓄電池的組成及工作原理 太陽能照明必須配備蓄電池才能工作，這是因?yàn)椋? 13 （ 1） .太陽能電池只能在白天進(jìn)行光電轉(zhuǎn)化工作，電能在夜晚才能用于照明，因此必須儲(chǔ)備在蓄電池內(nèi)，儲(chǔ)備的容量要足夠當(dāng)?shù)剡B續(xù)幾個(gè)陰天的照明需要。 （ 2） .太陽能電池板的輸出能量極不穩(wěn)定，配備蓄電池后，太陽能燈等負(fù)荷才能正常工作。 蓄電池的種類和應(yīng)用 化學(xué)電源是人類目前可以利用的高效能源之一。蓄電池也稱作二次電源，它是一種把化學(xué)反應(yīng)所釋放出 來的能量直接轉(zhuǎn)變成直流電能的裝置。蓄電池按照其電解液的不同，通常分為酸性電池和堿性電池。近幾十年來，由于交通。通訊。計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，其產(chǎn)品系列。產(chǎn)品種類。產(chǎn)品性能發(fā)生了巨大變化，以此滿足不同用途的需要。目前，蓄電池主要應(yīng)用于各種車輛。船舶。飛機(jī)等內(nèi)燃機(jī)的起動(dòng)以及照明。蓄能。不間斷電源。移動(dòng)通訊。便攜式電動(dòng)五金 |工具。電動(dòng)玩具當(dāng)中。 總之，蓄電池在國防。工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。交通運(yùn)輸。電力。電子。通訊。教學(xué)。科研。醫(yī)療衛(wèi)生以及人們?nèi)粘Ｉ钪斜粡V泛應(yīng)用。常用的蓄電池有鉛酸蓄電池。鎘鎳蓄電池。鐵鎳蓄電池。金屬氧化物蓄 電池。鋅銀蓄電池。鋅鎳蓄電池。氫鎳蓄電池。鋰離子蓄電池等。 常用蓄電池介紹 ： 1．鉛酸蓄電池 鉛酸蓄電池負(fù)極為鉛，正極為二氧化鉛，電解液為稀硫酸，主要有起動(dòng)型。固定型。牽引型。動(dòng)力型和便攜型，常為開口或防酸式 (GF),少量為膠體電解液蓄電池 (GEL)。近年來，特別是 VRLA(ValveRegulatedLeadAcidBattery)蓄電池的出現(xiàn)，在某些領(lǐng)域已經(jīng)能夠取代堿性蓄電池和干電池，使鉛酸蓄電池發(fā)揮更大的作用。由于鉛酸蓄電池價(jià)格低廉，適于低溫高倍率放電，因此應(yīng)用廣泛，是我國的電信行業(yè)中后備電源的主要 產(chǎn)品。但同時(shí)由于鉛酸蓄電池比能量偏低，生產(chǎn)過程有毒。污染環(huán)境等不利因素，一定程度上影響了其使用范圍。 2．鎘鎳蓄電池 鎘鎳蓄電池負(fù)極為鎘，正極為氧化鎳，電解液為氫氧化鉀水溶液。常見外形是方形。扣式和圓柱形，其有開口。密封和全密封三種結(jié)構(gòu)。按極板制造方式又分有極板盒式。燒結(jié)式。壓成式和拉漿式。鎘鎳蓄電池具有放電倍率高。低溫性能好，循環(huán)壽命長等特點(diǎn)。 14 3．金屬氫化物鎳蓄電池 金屬氫化物鎳蓄電池是新開發(fā)出來的新產(chǎn)品，負(fù)極為吸氫稀土合金，正極為氧化鎳，電解液為氫氧化鉀。氫氧化鋰水溶液，比能量是鎘鎳蓄電池 倍，具有可快速充電。優(yōu)良的高倍率放電性能和低溫放電性能，價(jià)格便宜，無污染，被稱為綠色環(huán)保電池。 4．鐵鎳蓄電池 鐵鎳蓄電池負(fù)極為鐵粉，正極為氧化鎳，電解液為氫氧化鉀或氫氧化鈉水溶液。具有結(jié)構(gòu)堅(jiān)固。耐用。壽命長等特點(diǎn)，比能量較低，多用于礦井運(yùn)輸車動(dòng)力電源。 5．鋅銀蓄電池 鋅銀蓄電池負(fù)極為鋅，正極為氧化銀，電解液為氫氧化鉀水溶液，具有較高的比能量及優(yōu)良的高倍率放電性能，但價(jià)格 偏高，多用于軍事工業(yè)及武器系統(tǒng)。 6．鋅鎳蓄電池 鋅鎳蓄電池負(fù)極為鋅，正極為氧化鎳，電解液為氫氧化鉀水溶液，具有高比能量，價(jià)格較低；但壽命較短，近年來鋅鎳蓄電池的循環(huán)壽命有了較大提高，預(yù)計(jì)隨著循環(huán)壽命的提高將獲得更廣泛應(yīng)用。 7．鋰離子蓄電池 鋰離子蓄電池負(fù)極是碳 (石墨 ),正極是氧化鈷鋰，由于采用有機(jī)電解質(zhì)液，具有電壓高。比能量高及優(yōu)良的循環(huán)壽命，安全無污染，被稱為綠色電源。常作為通訊工具和便攜器材的電源。 總之，我國的蓄電池工業(yè)隨著各行各業(yè)的發(fā)展獲得了迅速發(fā)展機(jī)會(huì)。至今目前，我國從事蓄電池生產(chǎn)的企業(yè)已達(dá)千 家之多。同時(shí)，免維護(hù)。閥控密封式鉛酸蓄電池。金屬氧化物物鎳蓄電池。鋰離子蓄電池等新型蓄電池也各有側(cè)重的應(yīng)用于各行各業(yè)中。 鉛酸蓄電池的工作原理 由于太陽能路燈采用的是鉛酸蓄電池，所以這里只對(duì)鉛 酸蓄電池 進(jìn)行分析。鉛 酸蓄電池充、放電化學(xué)反應(yīng)的原理方程式如下： ： 蓄電池從其他直流電源獲得電能叫做充電。充電時(shí)，在正、負(fù)極板上的硫酸鉛會(huì)被分解還原成硫酸、鉛和氧化鉛，同時(shí)在負(fù)極板上產(chǎn)生氫氣，正極板產(chǎn)生氧氣。電解液中酸的濃度逐漸增加，電池兩端的電壓上升。當(dāng)正、負(fù)極板上的硫酸鉛都被還原成原來的活性物質(zhì) 時(shí)，充電就結(jié)束了。 15 在充電時(shí)，在正、負(fù)極板上生成的氧和氫會(huì)在電池內(nèi)部 “ 氧合 ” 成水回到電解液中。 化學(xué)反應(yīng)過程如下： （正極） （電解液） （負(fù)極） （正極） （電解液） （負(fù)極） PbSO4 + 2H2O + PbSO4 → PbO2 + 2H2SO4 + Pb （充電反應(yīng)） (硫酸鉛 ) （水） （硫酸鉛） 蓄電池對(duì)外電路輸出電能時(shí)叫做放電。蓄電池連接外部電路放電時(shí)， 硫酸會(huì)與正、負(fù)極板上的活性物質(zhì)產(chǎn)生反應(yīng)，生成化合物 “ 硫酸鉛 ” ，放電時(shí)間越長，硫酸濃 度越稀薄，電池里的 “ 液體 ” 越少，電池兩端的電壓就越低。 化學(xué)反應(yīng)過程如下： （正極） （電解液） （負(fù)極） （正極） （電解液）（負(fù)極） PbO2 + 2H2SO4 + Pb → PbSO4 + 2H2O + PbSO4 （放電反應(yīng)） (過氧化鉛 ) （硫酸） （海綿狀鉛） 從以上的化學(xué)反應(yīng)方程式中可以看出，鉛酸蓄電池在放電時(shí)，正極的活性物質(zhì)二氧化鉛和負(fù)極的活性物質(zhì)金屬鉛都與硫酸電解液反應(yīng)，生成硫酸鉛，在電化學(xué)上把這種反應(yīng)叫做 “ 雙硫酸鹽化反應(yīng) ” 。在蓄電池剛放電結(jié)束時(shí)，正、負(fù)極活性物 質(zhì)轉(zhuǎn)化成的硫酸鉛是一種結(jié)構(gòu)疏松、晶體細(xì)密的結(jié)晶物，活性程度非常高。在蓄電池充電過程中，正、負(fù)極疏松細(xì)密的硫酸鉛，在外界充電電流的作用下會(huì)重新還原成二氧化鉛和金屬鉛，蓄電池就又處于充足電的狀態(tài)。正是這種可逆轉(zhuǎn)的電化學(xué)反應(yīng)，使蓄電池實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)存電能和釋放電能的功能。 電源控制器的組成及工作原理 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 太陽能路燈智能控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) ，如圖 ，該 以 STC12C5410AD 單片機(jī)為核心，外圍電路主要由電壓