【正文】 11 第 2 章 電動(dòng)汽車中電池的發(fā)展 電動(dòng)汽車簡(jiǎn)介 電動(dòng)汽車一般指以車載電源為動(dòng)力，全部或部分由電機(jī)驅(qū)動(dòng)行駛的汽車。 目前所開發(fā)研制的薄膜太陽能電池中硅基薄膜和多元化合物薄膜太陽能電池效率較高，并部分實(shí)現(xiàn)了商品化，但受材料 制約，與其他薄膜太陽能電池相比成本相對(duì)較高。太陽能電池開發(fā)和制備過程中必須考慮的兩個(gè)因素是提高轉(zhuǎn)化率和降低成本。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。 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(shì)，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。其中一個(gè)電極的內(nèi)層由還原電位較低的聚合物修飾，外層聚合物的還原電位較高，電子轉(zhuǎn)移方向只能由內(nèi)層向外層轉(zhuǎn)移；另一個(gè)電極的修飾正好相反，并且第一個(gè)電極上兩種聚合物的還原電位均高于后者的兩種聚合物的還原電位。 有機(jī)物太陽能電池 在太陽能電池中以聚合物代替無機(jī)材料是剛剛開始的一個(gè)太陽能電池制備的研究方向。具有價(jià)格低廉、性能良好和工藝簡(jiǎn)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。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。 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。可以預(yù)言，在 21 世紀(jì)中葉，太陽能光伏發(fā)電成為人類的基礎(chǔ)能源之一，在世界能源構(gòu)成中占有一定河南機(jī)電高等專科學(xué)校 畢業(yè)設(shè)計(jì) /論文 9 的地位。在發(fā)展非晶硅作為太陽能材料上，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。由于非晶硅薄膜太陽能電池 的成本低，便于大規(guī)模生產(chǎn)，普遍受到人們的重視并得到迅速發(fā)展，但非晶硅作為太陽能材料，盡管是一種很好的電池材料，但由于其光學(xué)帶隙為 ，使得材料本身對(duì)太陽輻射光譜的長(zhǎng)波區(qū)域不敏感，這樣一來就限制了非晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。采用輝光放電氣相沉積法就可得含氫的非晶硅薄膜，氫在其中補(bǔ)償懸掛鏈，并進(jìn)行摻雜和制作 PN 結(jié)。一般所用的主要原料是單硅烷 （ SiH4）、 二硅烷 （ Si2H6）、 四氟化硅 （ SiF4） 等，純度要求很高。硅要求有極高的冷卻速率，用液態(tài)快速 淬火的方法目前還無法得到非晶態(tài)。結(jié)構(gòu)特征為短程有序而長(zhǎng)程無序的 α硅，純 α硅因缺陷密度高而無法使用。目前非晶硅電池轉(zhuǎn)換效率及穩(wěn)定性仍不及晶體硅電池，但其硅料使用量 少、制程簡(jiǎn)單且易大面積量產(chǎn)、產(chǎn)品透光性佳及應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)仍獲得市場(chǎng)的追捧。多晶硅生產(chǎn)過程需要 1100℃ 高溫，不但耗能大，而且所帶來的污染問題亦十分嚴(yán)重。其次，薄膜吸收較 廣的陽光波長(zhǎng)，在陰天或微弱陽光下運(yùn)作亦較佳；相反，多晶硅的效能在較暗的情況下就會(huì)急速下降，因此非晶硅薄膜在實(shí)際環(huán)境下的轉(zhuǎn)換效能比多晶硅高出 10%以上。 非晶硅太陽能電池 在美國(guó) RAC 實(shí)驗(yàn)室 Carlson 和 Wronski 的共同努力下，第 1 塊非晶硅薄膜太陽能電池于 1976 年問世，從此拉開了薄膜光伏技術(shù)研究與發(fā)展的序幕，目前非晶硅薄膜太陽能電池正在進(jìn)入顯著的技術(shù)進(jìn)步和規(guī)?；瘧?yīng)用階段。多晶硅可作拉制單晶硅的原料，多晶硅與單晶硅的差異主要表現(xiàn)在物理性質(zhì)方面，如在力學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)和熱學(xué)性質(zhì)的各向異性方面，遠(yuǎn)不如單晶硅明顯；在電學(xué)性質(zhì)方面，多晶硅晶體的導(dǎo)電性也遠(yuǎn)不如單晶硅顯著，甚至幾乎沒有導(dǎo)電性；在化學(xué)活性方面，兩者的差異極小。 多晶硅 是單質(zhì)硅的一種形態(tài)。新硅烷法不斷取得進(jìn)展，除保證多晶硅純度較高的特點(diǎn)外，直徑也從原來的不足 100mm 增大至 140mm，晶粒多晶硅已規(guī)模生產(chǎn)。分離產(chǎn)物再回系統(tǒng)利用且能耗低、產(chǎn)量高、質(zhì)量穩(wěn)定。二者相比之下改良西門子法稍具優(yōu)勢(shì)，這種方法的主要技術(shù)是：（ 1）在大型反應(yīng)爐內(nèi)同時(shí)加熱許多根金屬絲，減小爐壁輻射所造成的熱損失；（ 2）爐的內(nèi)壁加工成鏡面，使輻射熱反射，減少散熱；（ 3）提高爐內(nèi)壓力，提高反應(yīng)速度等；（ 4）在大型不銹鋼金屬反應(yīng)爐內(nèi)使用 100 根以上的金屬絲 ，單位電耗由過去 降低到 ，多晶硅產(chǎn)量由改良前每爐次 100～ 200kg 提高到 5～ 6t。但是多晶硅薄膜的晶粒尺寸、晶粒形態(tài)、晶粒晶 界、膜厚以及基體中有害雜質(zhì)的含量及分布方式嚴(yán)重地影響著太陽光的吸收率和載流子的復(fù)合率，從而影響著光電轉(zhuǎn)化效率，這也是多晶硅薄膜太陽能電池的性能仍落后于單晶硅太陽電池的主要原因。 多晶硅薄膜太陽能電池是兼具晶體硅太陽能電池的高光電轉(zhuǎn)換效率、穩(wěn)定長(zhǎng)河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校 畢業(yè)設(shè)計(jì) /論文 7 壽和非晶硅太陽能電池的材料制備工藝簡(jiǎn)單、成本低并且無污染，可大面積生長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)于一身的新一代太陽能電池，具有廣闊的發(fā)展前景。但是單晶硅太陽電池產(chǎn)量并非止步不前一路下滑，而是仍然繼續(xù)發(fā)展，形成與多晶硅太陽電池并駕齊驅(qū)各領(lǐng)風(fēng)騷的態(tài)勢(shì)。多晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率相比單晶硅太陽能電池要低。目前制備多晶硅薄膜電池多采用化學(xué)氣相沉積法，包括低壓化學(xué)氣相沉積（ LPCVD)和等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（ PECVD）工藝。為了獲得大尺寸晶粒的薄膜，人們一直沒有停止過研究，并提出了很多方法。 圖 11 太陽能電池原理 多晶硅太陽能電池 通常的晶體硅太陽能電池是在厚度 350～ 450 微米的高質(zhì)量硅片上制成的，這種硅片從提拉或澆鑄的硅錠上鋸割而成，因此實(shí)際消耗的硅材料更多。 河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校 畢業(yè)設(shè)計(jì) /論文 6 單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率無疑是最高的，在大規(guī)模應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)中仍占據(jù)主導(dǎo)地位，但由于受單晶硅材料價(jià)格及相應(yīng)繁瑣的電池工藝影響，致使單晶硅成本價(jià)格居高不下，要想大幅度降低其成本是非常困難的。 2020 年 5 月，中國(guó)企業(yè) 500 強(qiáng)晶龍集團(tuán)核心子公司 （晶澳太陽能公司）傳來喜訊：該公司研發(fā)的“超高效”電池轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)現(xiàn)重大突破，單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了 %，躍居世界領(lǐng)先水平。通過采用各種不同的硅片加工及電池處理技術(shù)，國(guó)內(nèi)外各科研機(jī)構(gòu)及電池廠家都生產(chǎn)制備出了較高效率的單晶硅電池。用于宇宙空間站的還有高達(dá) 50%以上的太陽能電池板。用戶根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可將太陽能電池組件組成各種大小不同的太陽能電池方陣，亦稱太陽能電池陣列。然后采用絲網(wǎng)印刷法，將配好的銀漿印在硅片上做成柵線，經(jīng)過燒結(jié)，同時(shí)制成背電極，并在有柵線的面涂覆減反射源，以防大量的光子被光滑的硅片表面反射掉，至此，單晶硅太陽能電池的單體片就制成了。擴(kuò)散是在石英管制成的高溫?cái)U(kuò)散爐中進(jìn) 行。硅片經(jīng)過成形、拋磨、清洗等工序，制成待加工的原料硅片。有的也可使用半導(dǎo)體器件加工的頭尾料和廢次單晶硅材料，經(jīng)過復(fù)拉制成太陽能電池專用的單晶硅棒。這種太陽能電池以高純的單晶硅棒為原料，純度要求 ％。其主要用途是用作半導(dǎo)體材料和利用太陽能光伏發(fā)電、供熱等。單晶硅太陽能電池使用的硅原料主要為：半導(dǎo)體硅碎片，半導(dǎo)體單晶硅的頭、尾料，半導(dǎo)體用不合格的單晶硅。要求在降低成本的同時(shí)，保持效率不變甚至提高。居高不下的成本是限制硅太陽電池成為主要供能方式的關(guān)鍵因素。無論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，它還僅僅是一種輔助供應(yīng)能源的方式。由于硅太陽電池技術(shù)是建立在半導(dǎo)體工業(yè)技術(shù)之上，所以，這個(gè)技術(shù)被普遍地接受和理解。硅是地殼中含量第二的元素，所以，生產(chǎn)硅太陽電池的原材料非常容易獲得。 當(dāng)今的光伏技術(shù)中，硅太陽能電池技術(shù)是主要技術(shù)。從 1839 年法國(guó)物理學(xué)家貝克勒爾在光直接照射的電解液中發(fā)現(xiàn)的光生電壓效應(yīng)，到今天美國(guó) SunPower 公司生產(chǎn)的效率為 ％的單晶硅太陽能電池，光伏已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室中的一種物理化學(xué)現(xiàn)象變成一種產(chǎn)業(yè)。從最簡(jiǎn)單的陽光下曬被褥到 并網(wǎng)發(fā)電的太陽能電站，都是利用太陽能的方式。 河南機(jī)電高等專科學(xué)校 畢業(yè)設(shè)計(jì) /論文 4 表 11 中國(guó)的太陽能資源劃分 名稱 符號(hào) 指標(biāo) /最豐富帶 Ⅰ ≥1750 西藏大部分、新疆南部以及青海、甘肅和內(nèi)蒙古的西部 很豐富帶 Ⅱ 1400～ 1750 新疆北部、東北地區(qū)及內(nèi)蒙古東部、華北及江蘇北部、黃土高原、青海和甘肅東部、四川西部至橫斷山區(qū)以及福建、廣東沿海一帶和海南島 豐富帶 Ⅲ 1050～ 1400 東南丘陵區(qū)、漢江流域以及四川、貴州廣西、西部等地區(qū) 一般帶 Ⅳ 1050 川黔區(qū) 注： Ⅰ 、 Ⅱ 及 Ⅲ 區(qū)域，中國(guó)太陽能的豐富地區(qū)共占國(guó)土面積的 96%以上。中國(guó)陸地表面每年接受的太陽能輻射相當(dāng)于 萬億 t 標(biāo)準(zhǔn)煤。由于多晶硅太陽能電池成本低，轉(zhuǎn)換效率較高，生產(chǎn)工藝成熟，占有主要的光伏產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)，成為現(xiàn)代太陽能電池的主導(dǎo)產(chǎn)品。硅基太陽能電池又可分為單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池和非晶硅太陽能電池。 按照太陽能電池使用基本材料的不同，可分為：硅太陽能 電池、多元化合物薄膜太陽能電池和有機(jī)物太陽能電池。從硅太陽能電池的發(fā)明開始，就被用于空間站為其提供能源，這已成為高性能太陽能電池的穩(wěn)定市場(chǎng)。太陽能電池的誕生實(shí)現(xiàn)了太陽能的收集，并通過光生伏打效應(yīng)把光能轉(zhuǎn)換成電能，進(jìn)行儲(chǔ)存。另外，由于受到自然條件及天氣的影響，到達(dá)地面的太陽輻射能是極不穩(wěn)定的。河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì) /論文 3 第 1 章 太陽能電池的現(xiàn)狀 概述 隨著時(shí)代的發(fā)展，能耗越來越大，傳統(tǒng)化石燃料，如石油、煤、天然氣等的儲(chǔ)量已不能滿足人類持續(xù)發(fā)展的需求，并且化石燃料的燃燒釋放出大量的 SO