太陽能充電控制器能根據蓄電池電壓高低，調節(jié)充電電流大小，并決定是否向負載供電，實現以下目標。1．經常保持蓄電池處在飽滿狀態(tài)。2．防止蓄電池過度充電。3．防止蓄電池過度放電。4．防止夜間蓄電池向太陽能板反向充電。連接：（如圖所示）1．將太陽能板的“+”、“－”極正確牢固地連接到控制器相應的端子上（左起第1、第2）；2．將蓄電池的“+”、“－”極下確牢固地連接到控制器相應的端子上（左起第3、第4）；3．將負載的“+”、“－”極正確牢固地連接到控制器相應的端子上（左起第5、第6）。指示燈：1．電壓指示燈3支，指示蓄電池電壓的高低。3去全亮時表示電壓充足。只亮1支或者2支時，說明蓄電池電壓偏低，有可能負載不能工作，屬正?，F象。待蓄電池電壓被充電到達12.6V(或25.2V)以上時負載會被容許工作。2．充電指示燈1支，亮起表示正在強力充電，閃動表示正在浮動充電，不亮表示充電已經停止。3．負荷指示燈1支，亮起表示有輸出，負載可以工作；不亮表示沒輸出，負載不能工作。注意事項：1．接線前請仔細核對并確認太陽能板、蓄電池、負載的額定電壓，三者的額定電壓應相同，且都是12V（24V）。2．邊線時特別注意太陽能板、蓄電池、負載的“+”、“－”極都不能接錯。接錯有可能燒壞您的控制器。太陽能板、負載的額定電流不得大于控制器的額定電流相關信息產品名稱：太陽能充電控制器

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E-mail:bjzhlkj@126.com太陽能控制器KZ系列太陽能智能控制器功能如下：★輸出兩路220V交流電壓★輸出一路交流220V,一路直流12-48V★輸出直流12-48V★采用單片機微電腦芯片控制★自動開關燈功能（天黑負載開通、天亮負載切斷）★蓄電池過充與過放保護★涓流充電功能（蓄電池達到過充保護點時，采用定電壓、小電流充電）★自動恢復放電功能（蓄電池達到過放保護點時，控制器自動切斷負載回路，只有充電到11.6V后，電路方能恢復正常放電）★溫度補償功能（-4mV/℃）★防止反充功能（蓄電池向太陽能電池充電）★防止蓄電池與太陽能電池反接功能★過載與短路保護功能產品名稱：太陽能控制器

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E-mail:china_huadragon@163.com太陽能發(fā)電系統(tǒng)原理及分類太陽能就是太陽輻射能。在太陽里每時每刻都進行著激裂的核裂變和核聚變反應，從而產生大量的熱。太陽表面的溫度達6000℃左右內部溫度高達數百萬度。由于太陽的溫度很高它不斷地向宇宙空間輻射能量，包括可見光不可見光和各種微粒，總稱為太陽輻射。

地球上除核能以外的一切能源無論是煤炭、石油、天然氣、水力或風力都來自太陽,全球人類目前每年能源消費的總和只相當于太陽在40分鐘內照射到地球表面的能量。太陽能隨處可得，不必遠距離輸送，而且是潔凈的能源。由于這些獨特的優(yōu)點太陽能發(fā)電作為新興的產業(yè)正在迅速崛起。

太陽能發(fā)龜系統(tǒng)可分為太陽能熱發(fā)電和太陽能光發(fā)電兩類。太陽能熱發(fā)電就是利用太陽能將水加熱，使產生的蒸汽去驅動汽輪發(fā)電機組。根據熱電轉換方式的不同把太陽能電站分為集中型太陽能電站和分散型太陽能電站。塔式太陽能電站是集中型的一種，即在地面上敷設大貴的集熱器即反射器)陣列，在陣列中適當地點建一高塔，在塔頂設置吸熱器即鍋爐)，從集熱器來的陽光熱聚集到吸熱器上使吸熱器內的工作介質溫度提高變成燕汽通過管道把蒸汽送到她面上的汽輪發(fā)電機組發(fā)電。

分散型太陽能電站的集熱裝置的特點是以一個鏡體配合一個吸熱器組成一個獨立的單元。根據發(fā)電容量的設計要求，串、并聯若干單元組成電站。

太陽能光發(fā)電是利用太陽電池組將太陽能直接轉換為電能。太陽電池由單晶硅或非晶硅薄膜制成，轉換效率最多為10%-17%。將太陽電池排成方陣其總面積決定所需的功率。太陽電池發(fā)出直流電而且要隨陽光的強弱變化所以還得配備逆變器將直流電變?yōu)榻涣麟?、蓄電池和相應的調控設備。太陽能光發(fā)電已廣泛用于人造地球衛(wèi)星和宇航設備上，也可作為孤立地區(qū)的獨立電源然而將來其造價進一步降低之后，太陽能發(fā)電將進入千家萬戶。

近年來人們對建造宇宙空間太陽能電站的問題進行了大量的研究。宇宙空間太陽能電站的主要技術內容是:在繞地球的同步軌道上建造衛(wèi)星電站太陽輻射能通過光電池轉變成電能，用微波發(fā)生裝置將電能轉變?yōu)槲⒉ǎ缓笤僖约问桨盐⒉òl(fā)射到地面接收站地面接收裝置再把微波轉變成電能輸送到電網中。太陽能發(fā)電系統(tǒng)介紹

太陽能發(fā)電系統(tǒng)由太陽能電池組、太陽能控制器、蓄電池（組）組成。如輸出電源為交流220V或110V，還需要配置逆變器。各部分的作用為：

（一）太陽能電池板：太陽能電池板是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分，也是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中價值最高的部分。其作用是將太陽的輻射能力轉換為電能，或送往蓄電池中存儲起來，或推動負載工作。

（二）太陽能控制器：太陽能控制器的作用是控制整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并對蓄電池起到過充電保護、過放電保護的作用。在溫差較大的地方，合格的控制器還應具備溫度補償的功能。其他附加功能如光控開關、時控開關都應當是控制器的可選項；

（三）蓄電池：一般為鉛酸電池，小微型系統(tǒng)中，也可用鎳氫電池、鎳鎘電池或鋰電池。其作用是在有光照時將太陽能電池板所發(fā)出的電能儲存起來，到需要的時候再釋放出來。

（四）逆變器：太陽能的直接輸出一般都是12VDC、24VDC、48VDC。為能向220VAC的電器提供電能，需要將太陽能發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)出的直流電能轉換成交流電能，因此需要使用DC-AC逆變器。

太陽能發(fā)電系統(tǒng)的設計需要考慮的因素：

1、太陽能發(fā)電系統(tǒng)在哪里使用？該地日光輻射情況如何？

2、系統(tǒng)的負載功率多大？

3、系統(tǒng)的輸出電壓是多少，直流還是交流？

4、系統(tǒng)每天需要工作多少小時？

5、如遇到沒有日光照射的陰雨天氣，系統(tǒng)需連續(xù)供電多少天？

6、負載的情況，純電阻性、電容性還是電感性，啟動電流多大？

7、系統(tǒng)需求的數量。蓄電池的四個發(fā)展階段

1.1.1普通鉛酸蓄電池

在50年代，生產的鉛蓄電池叫普通電池，當時的產品用戶啟用時都要有“初充電”工藝環(huán)節(jié)。電解液注入電池后，電池發(fā)熱，待電解溫度降下來后，進行第一次充電。充電后再放出容量，這個循環(huán)叫充放電循環(huán)。初充電的工藝過程在早期有6次充電5次放電之多，后隨著技術的發(fā)展，充放電循環(huán)次數逐步減少。鐵道部原機務局曾規(guī)定三充兩放。

為什么要進行三充兩放?

三充兩放的目的是檢測蓄電池的實際容量。

鉛蓄電池電化反應方程式是：

PbO+2H2SO4+Pb=PbSO4+2H2O+PbSO4

......

（1.1）

電池放電的條件是右邊的三要素，缺一不可。放出的電容量是按桶板原理組成的，但新電池的放電卻得不到應有的容量，這是因為負板Pb在硫酸電液注入前就被氧化了。

2Pb+O2=2PbO

.....

（1.2）

在電池生產的化成工序中，生極板變成了熟極板，熟負極板上的鉛具有高度活化性，從化成槽中取出后，可同空氣中的氧迅速進行1.2式的反應，同時放出大量的熱。于是，極板就由高勢能狀態(tài)降低為低勢能狀態(tài)，這個反應使負極板失去了活性。在潮濕的條件下，反應進行的十分迅速。經水洗干燥后，這種反應并沒有停止。組裝成電池，直到啟用時仍在進行。注入硫酸電解液后。就再次發(fā)生電熱反應。

PbO+H2SO4=PbSO4+H20+Q

......

（1.3）

這個反應使電池負極失去了電活性。初充電的充放電循環(huán)目的就是將負極板活化。

1.1.2發(fā)展到干荷電電池

為了給用戶提供方便，取消初充電工藝環(huán)節(jié)，就需要保護負極板，使其在生產、儲運過程中不被氧化。這就需要使負極板活性物質具有抗氧化能力，現在采取的技術措施是：

①.在鉛膏配方中添加抗氧化劑，如松香、乙二酸。

②.將鉛微粒包裹一層抗氧化劑，如油、硼酸。

只要將負極保護好，不使其氧化，這樣就得到了在未注液前的干狀態(tài)下就能保持其帶電性的荷電極板，簡稱干荷電極板。用干荷電極板組裝電池一旦注液，30分鐘內電池就能達到80％的容量，電池就可投入使用。

1.1.3.發(fā)展到免維護電池

在電池的使用中，常需要補充水，因為一旦缺水電池就損壞了。補水是件十分麻煩的事，因為許多用戶在需要補水時找不到合格的電瓶水。

電池失水的原因是：

①物理失水：電解液會受熱蒸發(fā)。

②化學失水：由于雜質存在，雜質與鉛構成微電池，使水不斷分解成氣體。

③電化失水：過充電時，當充電電壓超過2.3V時，水分解就發(fā)生。要減少其耗電量，必須將水的分解電壓值提高。

在以上這三種失水形式中，后兩種是主要的，最后一種原因造成失水的比例最大。

現已找到一種鉛鈣合金，使用鉛鈣合金制造電池時，水的分解電壓就由2.3V提高到2.45V。如果將充電電壓控制在2.45V以下，電池在使用時的耗水量就能降到很少，汽車電池充電電壓是14.4V±0.1V，平均到每個單格為2.4±0.016V?，F已做到汽車電池連續(xù)裝車行駛6個月－8個月加一次水，生產廠家為了推銷方便，把這個耗水量很低的電池起名為“免維護電池”，即“MF”電池，這是這種電池的商業(yè)名字。事實上，這種電池維護工作包括：檢測技術狀態(tài)、補充電、補水。只把加水周期延長了，對維護的要求高了，并不是真正意義的“免維護”。

從技術角度分析，真正免維護電池是沒有的。

1.1.4.發(fā)展到密閉電池

免維護電池的水耗電量能否再減少，使電池在整個使用期內不補水，在特殊情況下電池允許自由取向，立式、臥式都能工作。

密閉電池的關鍵是如何將電池中產生的氣體在電池中重新合成為水。

密閉電池早在50年代就有，那時是采用金屬鈀作催化劑，使電池中的氫氣和氧氣在無焰狀態(tài)下化合成水

H2+O2→H2O+Q

......1-4

由于化合是從高能態(tài)的氣體轉化成低能態(tài)的液體，所以會釋放出大量的熱，這些熱量能使鈀珠的溫度達300℃左右。由于鈀昂貴，電池使用條件十分嚴格，所以這種電池只有在特殊情況下使用，如潛艇、水電站等。

到70年代，又發(fā)展一種陰極吸收式密閉電池，這種電池消除氣體的辦法是，首先使電池盡可能不產生氫氣H2，氧氣O2是通過負極吸收轉化成液體的成份。

轉化過程如式1-5所示：

負極

充電

O2+Pb→PbO+H2SO4→PbSO4+H2O→Pb+H2SO4....1-5

消氣過程是：在正極PbO2上充電時產生O2，同負極上Pb反應生成氧化鉛PbO，PbO同電解液中的硫酸H2SO4反應生成硫酸鉛PbSO4和水，負極上的PbSO4經充電又恢復成Pb，硫酸根SO2-4又一次進入電液，使電液密度值升高。

在上述消氣過程中，其關鍵是隔板必須是透氣的?，F采用的辦法是利用玻璃毛氈的吸液性，在用玻璃毛氈制成的隔板中保持氣相、液相、固相共存。這樣，在正極上產生O2能通過毛氈上的氣體通道，逐步擴散到負極上去。消除O2的過程是個動平衡的過程，產生O2的量與消除O2的量達到平衡時，電池使用才是安全的。

一旦發(fā)生過充電，產生O2的量大于消除O2的量，會使電池內氣體壓力越來越大，為了避免發(fā)生爆炸事故，電池頂蓋上都設有安全閥，以防不測。所以這種電池都叫“閥控式陰極吸收密閉免維護電池”。

不難理解，密閉電池應使用電壓精度較高的恒壓充電機充電，絕對不允許用恒流充電進行補充電作業(yè)。過充電對密閉電池來講可謂是第一殺手。蓄電池剩余容量在線測試蓄電池是一種使用非常廣泛的產品，例如太陽能光伏系統(tǒng)、移動通訊的基站、汽車等等都少不了它，它又是成本比較高的產品，因此如何延長其使用壽命，是一項很有意義的工作。而快速在線檢測蓄電池的剩余容量SOC（又稱蓄電池的荷電狀態(tài)），便于蓄電池的用戶或檢修工程師迅速了解蓄電池的狀態(tài)，以便采取措施，防止蓄電池的過充電和過放電，從而可達到延長蓄電池的使用壽命。SOCT-I蓄電池容量測試儀就是為達此目的而研制的。

蓄電池剩余容量放電和充電過程的數學模型

鉛酸蓄電池剩余容量（SOC）與蓄電池端電壓、充放電電流、初始電液比重、環(huán)境溫度等物理化學參數之間的關系可以用數學模型表示觸及于這個數學模型，就可以通過測量蓄電池充放電過程中的各個物理參數得知蓄電池的當前容量。數學模型表達式如下：

U放=Ur-axLOG(1+DOD/SOC)-bxLOG(1+I/(Ahx(1+K(T-25)))xDODx100)-I/(Ahx(1+K(T-25)))xcx(0.01x(25-T))xDOD

a：由于反應物和生成物比例改變引起的電壓變化的常數，0.1~0.2；b：電化學極化項常數，0.1~0.15；c：內阻極化項常數，0.08~0.15。

U充=Ur+dxLOG(1+SOC/DOD)+exLOG(I/(Ahx(1+K(T-25)))xSOCx100)+I/(Ahx(1+K(T-25)))xfx(0.01x(25-T))xDODd：由于反應物和生成物比例改變引起的電壓變化的常數，0.1~0.2；e：電化學極化項常數，0.2~0.25；f：內阻極化項常數，0.15~0.25。JKSOC-I蓄電池剩余容量測試儀就是根據上述蓄電池剩余容量放電和充電過程的數學模型研制的。

蓄電池剩余容量在線測試儀的研制方案

從數學模型可以看出幾個主要物理量對SOC的影響較大：

1.不同充放電率I/Ah；

2.不同初始電壓Ur；

3.不同溫度T。溫度主要影響蓄電池的額定容量。溫度對額定容量的影響：Ca=Cr×[1+K（T-25）]Ca：任何溫度下的蓄電池實際容量；Cr：蓄電池在25℃下的額定容量；T：實際溫度℃；K：溫度系數，溫度每變化1℃，SOC變化約為0.5%～0.8%。溫度對額定容量的影響表現在對充放電率I/Ah的影響，溫度降低或增加20℃，充放電率增大或減小10%～16%。一般蓄電池的工作溫度最多在25±10℃變化，因此，充放電率也只在±（5%～8%）變化。對SOC的影響就更小?？梢钥闯鰷囟葘OC的影響比起I/Ah、Ur要小得多。從蓄電池端電壓與SOC之間關系的數學模型分析，SOC除了與端電壓有關以外，還與蓄電池充放電率、初始電動勢、溫度等物理量有關，因此在設計蓄電池容量在線測試儀時，必須考慮到這些物理量的輸入方式，同時必須便于工程師攜帶。還有一個因素即成本，應在保證實現所有功能前提下盡可能降低成本。

綜合考慮上述因素，擬采用下述方案：1.用嵌入式微處理器芯片作為儀器的核心器件，由它按蓄電池端電壓與SOC之間關系數學模型完成主要計算；2.有兩個模擬量需實測：蓄電池電壓、環(huán)境溫度。為降低成本，擬采用串行數據輸出的A/D轉換芯片；

3.蓄電池充放電率、初始電動勢擬采用小鍵盤輸入；4.采用128×64LCD液晶顯示器顯示輸入量及計算出的SOC；5.為便于攜帶供電方式擬采用兩種方式：電池或15V穩(wěn)壓電源。

按上述方案設計的蓄電池容量在線測試儀微處理器采用AT89S52單片機，此單片機低成本，低功耗，高性能，易擴充，并有8K程序存儲器，SOC的計算及鍵盤輸入、LCD顯示等控制都由此芯片完成；溫度檢測采用了DALLAS的DS18B20。此芯片具有溫度傳感器和A/D轉換功能，轉換后的串行數據通過one_wire(一線)與CPU通訊。測量溫度范圍從-55℃到+125℃，芯片轉換精度為0.0625℃；端電壓采樣采用物美價廉的電壓轉頻率芯片LM331，調到轉換精度為1/1000V，即調成1V電壓轉換為1000Hz頻率；電源模塊采用一個插入開關，當沒有外部電源時由電池供電，當有外部電源接入時，斷開電池連接，由15V直流適配器給電路供電。測試儀所用數學模型經廣東番禺恒達蓄電池總廠產品測試，誤差不超過10%。北京市計科能源技術開發(fā)公司

電話：010-8260997521世紀的綠色能源太陽電池1.引言

在大多數人的心目中，電力是一種清潔的能源，當使用電燈、電視、電冰箱、空調等電器時，也許我們并沒有意識到電力對環(huán)境造成的破壞，實際燃煤發(fā)電對環(huán)境的破壞是很大的。我國現在是世界上第二號溫室氣體的排放大國，而常規(guī)電力生產使用煤、石油、天然氣發(fā)電，已經成為我國二氧化碳等溫室氣體的主要排放源之一，而且燃煤還大量排放二氧化硫等有害氣體。當我們使用常規(guī)電力時，我們其實是間接的污染者，因為我們對電力的需求才產生了供給，從而間接對環(huán)境造成了污染。同時我們又是污染的受害者。

21世紀，人類將面臨實現經濟和社會可持續(xù)發(fā)展的重大挑戰(zhàn)，在有限資源和環(huán)保嚴格要求的雙重制約下發(fā)展經濟己成為全球熱點問題。而能源問題將更為突出。能源短缺使世界上大部分國家能源供應不足，不能滿足其經濟發(fā)展的需要。從長遠來看，全球已探明的石油儲量只能用到

2020年，天然氣也只能延續(xù)到2040年左右，即使儲量豐富的煤炭資源也只能維持二三百年。

由于燃燒煤、石油等化石燃料，每年有數十萬噸硫等有害物質拋向天空，使大氣環(huán)境遭到嚴重污染，直接影響居民的身體健康和生活質量；局部地區(qū)形成酸雨，嚴重污染水土?；?/p>

源的利用產生大量的溫室氣體而導致溫室效應；引起全球氣候變化。這一問題已提到全球的議事日程，有關國際組織已召開多次會議，限制各國CO2等溫室氣體的排放量。因此，人類在解決上述能源問題，實現可持續(xù)發(fā)展，只能依靠科技進步，大規(guī)模地開發(fā)利用可再生潔凈能源。

太陽能具有儲量的“無限性”太陽每秒鐘放射的能量大約是1.6×1023KW，一年內到達地球表面的太陽能總量折合標準煤共約1.892×1013千億噸，是目前世界主要能源探明儲量的一萬倍。相對于常規(guī)能源的有限性，太陽能具有儲量的“無限性”，取之不盡，用之不竭。對于其他能源來說，太陽能對于地球上絕大多數地區(qū)具有存在的普遍性，可就地取用。這就為常規(guī)能源缺乏的國家和地區(qū)解決能源問題提供了美好前景。利用的清潔性太陽能像風能、潮汐能等潔凈能源一樣，其開發(fā)利用時幾乎不產生任何污染。利用的經濟性可以從兩個方面看太陽能利用的經濟性。一是太陽能取之不盡，用之不竭，而且在接收太陽能時不征收任何“稅”，可以隨地取用；二是在目前的技術發(fā)展水平下，太陽能利用不僅可能而且可行。鑒于此，太陽能必將在世界能源結構轉換中擔綱重任，成為理想的替代能源。

2.太陽能電池

50年代第一塊實用的硅太陽電池的問世，揭開了光電技術的序幕，也揭開了人類利用太陽能的新篇章。自60年代太陽電池進入空間、70年代進入地面應用以來，太陽能光電技術發(fā)展迅猛。1990年以來，全球太陽能光伏發(fā)電裝置的市場銷售量以年平均16％的幅度遞增，目前總發(fā)電能力已達800MW，相當于20

萬個美國家庭的年耗電量。1997年全球太陽電池的銷售量增長了40％，已成為全球發(fā)展最快的能源。

2.1影響光電技術應用的問題

當前影響光電池大規(guī)模應用的主要障礙是它的制造成本太高。在眾多發(fā)電技術中，太陽能光電仍是花費最高的一種形式，因此，發(fā)展陽光發(fā)電技術的主要目標是通過改進現有的制造工藝，設計新的電池結構，開發(fā)新穎電池材料等方式降低制造成本，提高光電轉換效率。近年來，光伏工業(yè)呈現穩(wěn)定發(fā)展的趨勢，發(fā)展的特點是：產量增加，轉換效率提高，成本降低，應用領域不斷擴大。1998年，世界太陽電池年產量已超過150MW，是1994年產量的兩倍還多。單晶硅太陽電池的平均效率為15％，實驗室效率已達24.4％；多晶硅太陽電池效率也達14％，最大效率為19.8％；非晶硅太陽電池的穩(wěn)定效率，單結6～9％，實驗室最高效率為12％，多結電池為8～10%，實驗室最高效率為11.83%。

最近，瑞士聯邦工學院M·格雷策爾研制出一種二氧化鈦太陽能電池，其光電轉換率高達33％，并成功地采用了一種無定形有機材料代替電解液，從而使它的成本比一塊差不多大的玻璃貴不了多少，使用起來也更加簡便?？梢灶A料，隨著技術的進步和市場的拓展，光電池成本將會大幅下降?？梢缘贸?，在2010年以后，由于太陽能電池成本的下降，可望使光伏技術進入大規(guī)模發(fā)展時期。

2.2光伏新技術的開發(fā)

近年來，圍繞光電池材料、轉換效率和穩(wěn)定性等問題，光伏技術發(fā)展迅速。晶體硅太陽能電池的研究重點是高效率單晶硅電池和低成本多晶硅電池。限制單晶硅太陽電池轉換效率的主要技術障礙有：電池表面柵線遮光影響；表面光反射損失；光傳導損失；內部復合損失；表面復合損失。

針對這些問題，近年來開發(fā)了許多新技術，主要有：單雙層減反射膜；激光刻槽埋藏柵線技術；絨面技術；背點接觸電極克服表面柵線遮光問題；高效背反射器技術；光吸收技術。隨著這些新技術的應用，發(fā)明了不少新的電池種類，極大地提高了太陽能電池的轉換效率，如采用激光刻槽埋藏柵線等新技術將高純化晶體硅太陽能電池的轉換效率提高到24.4％。

光伏技術發(fā)展的另一特點是薄膜太陽能電池研究取得重大進展，各種新型太陽能電池的不斷涌現。晶體硅太陽能電池轉換效率雖高，但其成本難以大幅度下降，而薄膜太陽能電池在降低制造成本上有著非常廣闊的誘人前景。早在幾年前，利用多層薄膜結構的低質硅材料已使太陽能電池成本驟降80％，有望1O年內使該項技術商業(yè)化。

高效新型太陽能電池技術的發(fā)展是降低光電池成本的另一條切實可行的途徑，近年來，一些新型高效電池不斷問世：

硒化銅鋼(CUINSE2，CIS)薄膜太陽能電池：1974年CIS電池在美國問世，1993年美國國家可再生能源實驗室使它的本征轉換效率達

16.7％，由于CIS太陽能電池具有成本低(膜厚只有單晶硅的1／100)、可通過增大禁帶寬度提高轉換效率(理論值為單晶30％，多晶24％)、沒有光致衰降、抗放射性能好等優(yōu)點，各國都在爭相研究開發(fā)，并積極探索大面積應用的批量生產技術。

硅-硅串聯結構太陽能電池：通過非晶硅與窄禁帶材料的層疊，是有效利用長波太陽光，提高非晶硅太陽能電池轉換效率的良好途徑。它具有成

本低、耗能少、工序少、價廉高效等優(yōu)點。

用化學束外延(CBE)技術生產的多結III-V族化合物太陽能電池：III-V族化合物(如GAAS，INP)具有較高的光電轉換效率，這些材料的多層匹配可將太陽能電池轉換效率提高到35％以上。而這種多層結構很容易用CBE法制作，并能降低成本獲得超高效率。

大面積光伏納米電池：1991年瑞士M．GRATZEL博士領導的研究小組，用納米TIO2粉水溶液作涂料，和含有過渡族金屬有機物的多種染料及玻璃等材料制作出微晶顏料敏感太陽能電池，簡稱納米電池。計算表明，可制造出轉換效率至少為12％的低成本電池。這種電池為大面積應用于建筑物外表面提供了廣闊的前景。

3.太陽電池的發(fā)展現狀

太陽電池的進展情況可以從其性能指標、產量、價格等方面來評價。太陽電池的性能指標有開路電壓、短路電流、填充因子、光電轉換效率等多頂，其中最主要的指標是光電轉換效率，即將光能轉變?yōu)殡娔艿男省?/p>

太陽電池主要可以分為硅太陽電池和化合物半導體太陽電池兩大類。下面分別加以敘述。

3.1硅太陽電池

硅是地球上第二位最豐富的元素，而且無毒性，用它制作的太陽電池效率也很高，因此它是最適于制作太陽電池的半導體材料。1997年，世界上太陽電池年產量約為120MW，其中99%以上為硅太陽電池。在硅太陽電池中又可分為單晶硅、多晶硅和非晶硅太陽電池三類。

1.單晶硅和多晶硅太陽電池

單晶硅和多晶硅太陽電池是對P型（或n型）硅基片經過磷（或硼）擴散做成P/N結而制得的。單晶硅太陽電池效率高、壽命長、性能優(yōu)良，但成本高，而且限于單晶的尺寸，單片電池面積難以做得很大，目前比較大的為直徑為10～20cm的圓片．多晶硅電池是用澆鑄的多晶硅錠切片制作而成，成本比單晶硅電池低，單片電池也可以做得比較大（例如30cm×30cm的方片），但由于晶界復合等因素的存在，效率比單晶硅電池低。

現在，單晶硅和多晶硅電池的研究工作主要集中在以下幾個方面：

(1)用埋層電極、表面鈍化、密柵工藝優(yōu)化背電場及接觸電極等來減少光生載流子的復合損失，提高載流子的收集效率，從而提高太陽電池的效率。澳大利亞親南威爾士大學格林實驗室采用了這些方法，已經創(chuàng)造了目前硅太陽電池世界公認的AM1.5條件下24%的最高效率。

(2)用優(yōu)華抗射膜、凹凸表面、高反向背電極等方式減少光的反射及透射損失，以提高太陽電池效率。

(3)以定向凝固法生長的鑄造多晶硅錠代替單晶硅，估化正背電極的銀漿、鋁漿的絲網印制工藝，改進硅片的切、磨、拋光等工藝，千方百計降低成本，提高太陽電池效率。目前最大硅錠重量已達270余公斤。

(4)薄膜多晶硅電池還在大力研究和開發(fā)。計算表明，若能在金屬、陶瓷、玻璃等基板上低成本地制備厚度為30～50μm的大面積的優(yōu)質多晶硅薄膜，則太陽電池制作工藝可進一步簡化，成本可大幅度降低。因此多晶硅薄膜太陽電池正成為研究熱點。

現在單晶及多晶硅太陽電池的世界年產量已達到120MW左右。硅太陽電池的最高效率可達18%～24%。航空航天用的高質量太陽電池在AMO條件下的效率約為13.5%～18%,而地面用的大量生產的太陽電池效率在AM1條件下大多在11%～18%左右。

2.非晶硅太陽電池

由于非晶硅對太陽光的吸收系數大，因而非昌硅太陽電池可以做得很薄，通常硅膜厚度僅為1-2μm，是單晶硅或多晶硅電池厚度（0.5mm左右）的1/500，所以制作非晶硅電池資源消耗少。

非晶硅太陽電池一般是用高頻輝光放電等方法使硅烷（SiH4）氣體分解沉積而成的。由于分解沉積溫度低（200℃左右），因此制作時能量消耗少，成本比較低，且這種方法適于大規(guī)模生產，單片電池面積可以做得很大（例如0.5mX1.0m），整齊美觀。非晶硅電池的另一特點是對藍光響應好，在一般地熒光燈下也能工作，因此被廣泛用作電子計算器和手掌電腦的電源，估計全世界使用量達到每月1千萬片左右。以上這些優(yōu)點，使非晶硅太陽電池在近10余年來得到大踏步的發(fā)展，1997年全世界的產量估計已達到30MW以上。

非晶硅由于其內部結構的不穩(wěn)定性和大量氫原子的存，具有光疲勞效應（Staebler

Wronski效應），故非晶硅太陽電池經過長期穩(wěn)定性存在問題。近10年來經努力研究，雖有所改善，但尚未徹底解決問題，故作為電力電源，尚未大量推廣。

非晶硅中由于原子排列缺少結晶硅中的規(guī)則性，缺陷多。因此單純的非晶硅p/n結中，隧道電流往往占主導地位，使其呈現電陰特性，而無整流特性，也就不能制作太陽電池。為得到好的二極管整流特性，一定要在p層與n層之間加入較厚的本征層i，以扼制其隧道電流，所以非晶硅太陽電池一般具有pin結構。為了提高

效率和改善穩(wěn)定性，有時還制作成pin/pin/pin等多層結構式的疊層電池，或是插入一些過渡層。

非晶硅太陽電池的研究，現在主要著重于改善非晶硅膜本身性質，以減少缺陷密度，精確設計電池結構和控制各層厚度，改善各層之間的界面狀態(tài)，以求得高效率和高穩(wěn)定性。

目前非晶硅單結電池的最高效率已可達到14.6%左右，大量生產的可達到8%～10%左右。疊層電池的最高效率可達到21.0%。

3.2化合物半導體太陽電池

在化合物半導體太陽電池中，目前研究應用較多的有CaAs、InP、CuInSe2和CdTe太陽電池。由于化合物半導體或多或少有毒性，容易造成環(huán)境污染，因此產量少，常常使用在一些特殊場合。

1.砷化鉀太陽電池

砷化鉀（GaAs）太陽電池可以得到較高的效率，實驗室最高效率已達到24%以上，一般航天用的太陽電池效率也在18%～19.5%之間。砷化鉀太陽電池目前大多用液相外延方法或金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）技術制備，因此成本高、產量受到限制，降低成本和提高生產效率已成為研究重點。砷化鉀太陽電池目前主要用在航天器上。

現在，硅單晶片制備技術成熟，成本低，因此以硅片為襯底，以MOCVD技術用異質外延方法制造GaAs太陽電池降低GaAs太陽電池成本的很有希望的辦法。目前，這種電池的效率也已達到20%以上。但GaAs和Si晶體的晶格常數相關較大，在進行導質外延生長時，外延層晶格失配嚴重，難以獲得優(yōu)質外延層。

為此常Si襯底上首先生長一層晶格常數與GaAs

相差較少的Ge

晶體作為過渡層，然后再生長GaAs外延層，這種Si/Ge/GaAs結構的異質外延電池正在不斷發(fā)展中?？刂聘鲗雍穸龋m當變化結構，可使太陽光中各種波長的光子能量都得到有效利用，目前以GaAs為基的多層結構太陽電池的效率已接近40%。

2.磷化銦太陽電池:磷化銦太陽電池具有特別好的抗輻照性能，因此在航天應用方面受到重視，目前這種電池的效率也已達到17%～19%。

3.CuInSe2

多晶薄膜太陽電池:這種電池的效率也達到17.6%左右，而且性能穩(wěn)定，作為多晶薄膜電池是很有發(fā)展前途的。但因成分較復雜，制作工藝重復性差，影響了它的發(fā)展。

此外，Cds/CdTe太陽電池的效率也已達到15.8%，但這種電池毒性大，易造成對環(huán)境的污染。

4.太陽電池的應用

通信衛(wèi)星通常采用太陽電池方陣給各系統(tǒng)供電，并為蓄電池充電，在星食期間，蓄電池給衛(wèi)星供電。過去，太陽電池方陣廣泛采用硅光電池。目前較先進的硅光電池轉換效率可達15％，但這種電池已不能滿足大型平臺的要求，現在正在發(fā)展和使用砷化鉀太陽電池。目前單結砷化鉀太陽電池轉換效率一般達18％，雙結砷化鉀太陽電池可達21－23％。這種電池不僅效率高，而且耐高溫，耐空間輻射?，F在正在研制多結砷化鉀太陽電池，其轉換效率可望達到30％以上。為了再進一步提高太陽電池方陣的效率，現在正研究使用太陽能聚光板，以提高太陽能量，使太陽常數提高到1以上。過去通信衛(wèi)星蓄電池普遍采用鎳鎘電池，隨著衛(wèi)星功率不斷增加，現正發(fā)展使用鎳氫電池。鎳氫電池比鎳鎘電池放電深度深，比容量大。

為使“深空1號”星際探測器成為現實，美國空軍研究實驗室提出6項關鍵技術，它們是：

1.輕型太陽電池方陣。未來的太陽帆板采用復合結構，連接各部分的電纜線將被淘汰，太陽帆板采用塑性鉸接。使用薄膜太陽電池，每公斤重量供能116瓦，而現有系統(tǒng)為40－50瓦。多結薄膜光電池使電池太陽方陣在軌道上易于展開。輕型“智能”結構可自動消除振動和熱效應。

2.柔性集成供電和信號系統(tǒng)。通過真空鍍膜技術，使薄膜蓄電池組和柔性電池部件與阻擋層光電池連接，形成多層衛(wèi)星總線。柔性電池組安裝在其它子系統(tǒng)周圍。

3.多功能結構。

4.超高密度電路。

5.微機電系統(tǒng)。

6.輕型大光學系統(tǒng)。

美國1998年10月24日發(fā)射了“深空1號”星際探測器。采用集光器型太陽電池進行試驗。這種太陽電池方陣實際只有13％的面積被覆以太陽電池片，另外還帶有720面菲列爾透鏡，利用線性排列的菲列爾透鏡把所有陽光都聚集到這些電池上。由于電池少，而透鏡又比玻璃罩的電池輕，所以太陽電池方陣的重量減輕了，價格也變便宜了。“深空1號”2.6千瓦的太陽電池方陣有4塊帆板，大小為1.1mx1.6m，總重58公斤。為增強輻射防護能力，電池區(qū)上的玻璃罩可做得厚一些。太陽電池本身有兩種，它們疊在一起，可在0.4μm～0.85μm的寬頻譜范圍內進行能量轉換，預計效率在22％以上。這種太陽電池方陣的缺點是指向稍有一點點誤差，能力就會大大降低。

5.太陽能開發(fā)利用的發(fā)展趨勢

人類利用太陽能已有幾千年的歷史，

但發(fā)展一直很緩慢，現代意義上的開發(fā)利用只是近半個世紀的事情。1954年，美國貝爾實驗室研制出世界上第一塊太陽電池，從此揭開了太陽能開發(fā)利用的新篇章，之后，太陽能開發(fā)利用技術發(fā)展很快，特別是70年代爆發(fā)的世界性的石油危機有力地促進了太陽能的開發(fā)利用。隨著可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略在世界范圍內的實施，太陽能的開發(fā)利用又被推到新高度。

21世紀初至中葉將是太陽能開發(fā)利用技術的重要發(fā)展時期。世界范圍內的能源問題、環(huán)境問題的最終解決將依靠可再生潔凈能源特別是太陽能的開發(fā)利用。

光伏技術的發(fā)展，近期將以高效晶體硅電池為主，然后逐步過渡到薄膜太陽能電池和各種新型太陽電池的發(fā)展。如前所述，晶體硅太陽電池具有轉換效率高、性能穩(wěn)定、商業(yè)化程度高等優(yōu)點，但也存在硅材料緊缺、制造成本高等問題。而薄膜太陽能電池以及各種新硅太陽能電池都具有生產材料廉價、生產成本低等特點，隨著研發(fā)投入的加大，必將促使其中一、二種獲得突破，正如專家斷言，只要有一、二種新型電池取得突破，就會使光電池局面得到極大的改善。

隨著光電化學及光伏技術和各種半導體電極試驗的發(fā)展，使得太陽能制氫成為氫能產業(yè)的最佳選擇。20世紀90年代在太陽能制氫方面獲得了較大進展，

1990年德國建成一座500KW太陽能制氫示范廠，沙特阿拉伯已建成發(fā)電能力為350KW的太陽能制氫廠。印度于1995年推出了一項制氫計劃，投資

4800萬美元，在每年有300個晴天的塔爾沙漠中建造一座500KW太陽能電站制氫，用光伏—電解系統(tǒng)制得的氫，以金屬氫化物的形式貯存起來，保證運輸的安全。氫能具有重量輕、熱值高、爆發(fā)力強、品質純凈、貯存便捷等許多優(yōu)點。隨著太陽能制氫技術的發(fā)展。用氫能取代碳氫化合物能源將是21世紀的一個重要發(fā)展趨勢。

隨著世界范圍內的環(huán)境意識和節(jié)能意識的普遍提高，太陽能熱利用領域將得到最大限度的擴展，其普及程度將會有較大的提高。隨著太陽能熱水器性能的改善，太陽能熱水器將逐步取代電熱水器和燃氣熱水器。與此同時，光伏技術將逐步由農村、偏遠地區(qū)以及其它特殊應用場合向城市推進，伴隨著更多國家屋頂計劃的實施，光伏發(fā)電將走進城市的千家萬戶。

隨著人類航天技術以及微波輸電技術的進一步發(fā)展，空間太陽能電站的設想可望得到實現。由于空間太陽能電站不受天氣、氣候條件的制約，其發(fā)展顯示出美好的前景，是人類大規(guī)模利用太陽能的另一條有效途徑。

無機太陽能光電轉換的材料

用于光電化學太陽能電池中半導體電極研究的材料包括有：Si、Ⅱ～Ⅵ族化合物CdX（X=S、Se、Te）、Ⅲ～Ⅴ族化合物（GaAs、InP）、二硫族層狀化合物（MoS2、FeS2）、三元化合物（CuInSe2、CuInS2、AgInSe2）及氧化物半導體（TiO2、ZnO、Fe2O3）等，其中窄禁帶半導體（Eg≤2.0eV）可獲得較高的光電轉換效率，但存在光腐蝕現象；寬禁帶半導體（Eg≥3.0eV）有良好的穩(wěn)定性，但對太陽能的吸收率低。因此大量的研究工作都是圍繞提高光電效率和穩(wěn)定性進行的。

Ⅱ～Ⅵ族化合物半導體CdX（X=S、Se、Te）是光電化學研究較為普遍的光電極材料，其主要優(yōu)點是可用多種方法如粉末壓片法、涂敷法、真空沉積、化學氣相沉積、電沉積、化學溶液沉積以及噴涂熱解法等制備，得到轉換效率較高的多晶或薄膜光電極，這些方法價格低廉、簡單易行，多數還可適用于大面積制備。在CdX（X=S、Se、Te）化合物中CdS的能隙較大（Eg=2.4eV），只能吸收小于517nm波長的太陽光，曾用壓片燒結、涂敷、噴涂熱分解制備各種CdS電極并用RuS2進行光譜敏化，將吸收截止波長由517nm延長至890nm，但轉換效率都很低，因此研究的重點是CdSe和CdTe電極。用涂敷法在各種金屬基底（鈦、鉻、鉬、鉑）、非金屬基底（二氧化錫、石墨、破碳）上都可成功制備性能穩(wěn)定、重現性好的CdSe薄膜電極。在金屬基底CdSe薄膜結合力強，界面電阻小，經過電極表面的化學刻蝕和光化學刻蝕獲得了7％的能量轉換效率。進一步控制熱處理氣氛中的含氧量使轉換效率提高至8.3％。制備中用Te替代部分Se形成CdSe和CdSexTe1-x薄膜電極，其光譜響應范圍與X值大小有關，當調X=0.63時能量轉換效率達到12.3％。CdTe具有吸收太陽光能的最佳能隙（Eg=1.4eV），其單晶電極在多硫溶液中達到15.6％的光電轉換效率，但用電沉積法制備多晶薄膜電極卻只獲得3.6％的轉換效率。比較CdX（X=S、Se、Te）光電極性能不難看出，CdSe和CdSexTe1-x薄膜的光電性能和穩(wěn)定性能優(yōu)于CdS和CdTe電極，是光電化學研究中有發(fā)展前途的光電極材料。

在CdS和CdTe薄膜的研究中證明了表面修飾也是改善光電性能的有效措施，研究Au、Pt、Ru和Pd等貴金屬修飾CdS和CdTe電極，發(fā)現貴金屬在電極表面的構型不同會產生不同效果，大量的Pt覆蓋電極表面降低了電極界面光電化學反應的極化，增大了反應的交換電流，是電極界面光電催化的最佳構型。Pd的修飾形成了金屬致密層，結果使光電性能下降，產生與Pt修飾相反的效果。用LB膜技術實現分子取向、排列結構和濃度可控的條件下研究具有不同氧化還原電位和傳遞電荷性質的二茂鐵衍生物修飾CdSe。薄膜電極將電極表面的微觀分子設計與宏觀電極過程聯系起來，為修飾分子的優(yōu)化提供大量信息，使半導體電極表面修飾技術有很大的提高和發(fā)展。對Ⅲ～Ⅴ族化合物半導體主要研究GaAs和InP單晶電極，它們具有吸收太陽光能的最佳帶隙，可以構成高效的光電化學電池。n-GaAs電極在多硒溶液中有較好的穩(wěn)定性，經H2SO4-H2O2混合溶液的反復刻蝕，再吸附Ru3+離子后有效降低表面復合，使光電轉換效率大大提高，接近于20％。n-InP電極的晶面取向和摻雜濃度對光電性能有很大影響，摻雜濃度低（1016cm-3）的光電流、光電壓優(yōu)于摻雜濃度高（1018cm-3)的電極；在Fe2+/Fe3+酸性溶液中，性能穩(wěn)定，轉換效率達到18％，p-InP電極在V2＋／V3＋溶液中表面經Ag修飾和電鍍Cu改善背面接觸后效率達到18.8％。

廣東工業(yè)大學

電話陽能照明系統(tǒng)組合中的幾個問題

（1）光敏傳感器，太陽能燈需要光控開關，有的設計者往往會使用光敏電阻來自動開關燈，實際上太陽能電池本身就是一個極好的光敏傳感器，用它做光敏開關，特性比光敏電阻要好。對于太陽能庭院燈的應用問題不大，但是對于僅僅使用一只1.2VNi-Cd電池的太陽能草坪燈來說，太陽能電池組件由四片太陽能電池串聯組成，電壓低，弱光下電壓更低，以至天沒有黑電壓已經低于0.7V，造成光控開關失靈。在這種情況下，只要加一只晶體管直接耦合放大，即可解決問題。

（2）按蓄電池電壓高低控制負載大小，太陽能燈往往對連續(xù)陰雨天可維持時間要求很高，這就增加了系統(tǒng)的成本。我們在連續(xù)陰雨天蓄電池電壓降低時減少LED或者節(jié)能燈接入的個數，或者減少太陽能燈每天的發(fā)光時間，這就減少了系統(tǒng)的成本。

（3）閃爍變光，漸亮漸暗是節(jié)能的好辦法，它一方面可以增加太陽能草坪燈照射效果，另一方面可以通過改變閃爍占空比控制蓄電池平均輸出電流，延長系統(tǒng)工作時間，或者在同等條件下，可降低成本。

（4）三色基色高效節(jié)能燈的開關速度。這個問題非常重要，它甚至決定了太陽能草坪燈的使用壽命，三色基色高效節(jié)能燈啟動時有高達10~20倍的啟動電流，系統(tǒng)在承受這樣大的電流情況下會造成電壓的大幅度下降，太陽能草坪燈就無法啟動或者反復啟動，導致最后的損壞。

（5）目前太陽能電池還不能夠使用在主干道照明上。公路主干道的照明有法定的照度要求，就目前太陽能電池的轉換效率和價格而言，還不能夠滿足這個要求。但在不久的將來隨著各方面技術水平的提高，太陽能電池一定會應用于公路主干道的照明上。

（6）關于儲能電容，太陽能電池的使用壽命在25年以上，普通蓄電池的使用壽命在2~3年，所以蓄電池是太陽能電力系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)。儲能電容可以在一定程度上解決這個問題。儲能電容的使用壽命可以達到10年以上，而且控制電路簡單，但是昂貴的價格限制了它的應用，目前僅僅應用在部分交通信號燈和裝飾燈上。隨著技術水平的提高，產品價格的下降，它將是一種最有希望成為太陽能電池配套的理想儲能元件。

可全天候工作的新型太陽能電池

太陽能電池通常在中午發(fā)電效率最高，因為此時太陽正處于最高點，可以以90度的角度直射電池。但是美國佐治亞技術研究所的研究人員日前研制出的一種新型太陽能電池卻恰恰相反——電池在全天大部分時候都能以較高的效率運行，而且每天以早晨和下午的工作效率最高。這種利用納米技術開發(fā)出來的新型太陽能電池，與以前的太陽能電池相比，尺寸、重量、機械結構的復雜度都較小。

目前這種太陽能電池的實驗室原型只有2英寸大小，每平方厘米電池包含了4萬個納米管“塔”，每座塔高100微米，底座為邊長40微米的正方形，每座之間間隔10微米。每座塔包含數百萬個垂直排列的碳納米管。

這種微型納米管塔類似城市街道網格中的高層建筑，其獨特的三維構造使它可以捕捉各個角度的光線，提高發(fā)電效率。傳統(tǒng)的平板太陽能電池只能反射部分光線，吸收能量較少。而佐治亞技術研究所網站的動畫顯示，光線照射在納米塔上之后會在相鄰的塔上作多次反射，增加光線的吸收率。即使在太陽光沒有90度照射時，它也可以保持高效率。佐治亞技術研究所光電系統(tǒng)實驗室高級工程師JudReady說：“當太陽直射時，交互的區(qū)域只限于塔頂和下面的‘街道’。但是有角度時，光線有機會在塔的側面反射?！?/p>

同時，這種三維電池提高了“量子效率”——電池把吸收的光子轉化為電子的效率。在傳統(tǒng)平板太陽能電池中，光電涂層必須足夠厚才能捕獲到光子，隨后電子從涂層材料中釋放產生電流。然而，電子移動后會在身后的原子矩陣中留下一個“空洞”。電子從材料中出來的時間越長，越有可能和空洞重組，減少電流。而由于三維電池比傳統(tǒng)電池吸收了更多光子，其涂層相應較薄，電子可以更快出去，減少了重組幾率。

據介紹，納米塔最底層是硅晶片，在其之上研究人員用照相平版技術涂抹了一層薄薄的鐵，放入熔爐加熱至780攝氏度。碳氫化合物氣體通入熔爐后會分離成碳和氫。經過化學蒸氣沉積過程，碳元素在晶片鐵涂層上沉積，生長成多層的碳納米管塔。之后，研究人員再在碳納米管塔上覆蓋一層碲化鎘和硫化鎘——它們負責發(fā)電。最終，再涂抹氧化銦錫（一種導電材料）作為電極。因此，納米管在電池中既作為三維結構的支持架，又作為連接光電材料和硅晶片的導體，負責把電子傳導至電極。

在應用方面，Ready首先把目光放在了航天飛機和衛(wèi)星的電能提供上，因為這種電池不需要使用專門機械工具移動方位，使其保持面對太陽，減少了重量和復雜性。機械工具容易損壞，在太空中，是極難修理的。

當太陽90度角照射時，這種三維電池模型只有3.5%的發(fā)電率。但是，當光線從其他角度照射時，發(fā)電率更高，特別是45度時，發(fā)電率最高，達到7%。也就是說，電池在全天大部分時候都能以較高效率運行，每天有兩次機會達到極值——早一次，晚一次。

但是，這個效率對于商業(yè)化使用而言還是太低了。Ready表示，在未來兩年中，他將提高模型的尺寸，進行一系列測試以保證電池可以在火箭發(fā)射和太空的惡劣環(huán)境中工作。Ready還想研究出最理想的塔高和塔距，以及它們之間的位置和光線照射的角度。他也將嘗試用其他半導體材料取代碲化鎘，因為后者被認為具有毒性，不適合廣泛的商業(yè)使用。選擇針對不同應用的最佳光電材料也是研究目標之一。如果一切順利，Ready估計，5到10年之內，這項技術的某些版本就有可能實現商業(yè)應用了。

“我們的目的是要獲得每粒電池可用的光子?！盧eady表示，由于可以捕獲更多光線，電池尺寸可以減小，在衛(wèi)星或者航天飛機上，這種新型電池將減輕重量、占用更少空間。增加了發(fā)電效率之后，可以改變現有太陽能電池的使用方式，用于更廣泛的領域。膠體蓄電池——太陽能和風能發(fā)電的最佳儲能蓄電池

常識告訴我們，風能、太陽能發(fā)電往往不會即發(fā)即用，總要部分儲存?zhèn)溆?，儲能電池是太陽能發(fā)電系統(tǒng)的關鍵部分。太陽能發(fā)電的儲能電池的基本要求應當是：規(guī)格齊全、安全可靠壽命長、放電效率高、深放電能力強、工作溫度范圍大、自放電率低、少維護或免維護。

綜上所述，由于鉛酸蓄電池具有以上的特點，所以應是風能、太陽能發(fā)電儲能電池的首選。鉛酸蓄電池技術成熟，規(guī)格品種齊全，價格最便宜。但普通富液鉛酸蓄電池在溫差大時會因溫度過高造成干涸或寒冷時放不出電來，有時也會漏液，壽命普遍二、三年，其中特別優(yōu)良的也只有四、五年。

現在膠體蓄電池是蓄電池中的高端產品，又以德國陽光公司的產品為最佳，它安全、可靠、壽命長。A-600系列保用15～18年，但價格太高。如A-600系列的2U-200AH要人民幣2000元以上，而國內同規(guī)格的免維護鉛酸蓄電池價格不及它的1/6，因此國內風能、太陽能發(fā)電不可能普遍使用進口產品。目前有國內企業(yè)生產一種膠體風能、太陽能發(fā)電儲能電池，比鉛酸蓄電池性能更優(yōu)異也更實用。

這種膠體蓄電池從2V-3000AH到2V-2AH，從12V-200AH到12V-3AH等各種規(guī)格都有，即可做成管狀正極板，也可做成涂膏的。隔板可以是AGM的也可做得PVC二氧化硅的或聚酯的。深放電達到了德國的標準。正負極接通短路放電21天，這種膠體蓄電池可以做到正負極接通28天，第一次充電就能達到95％以上。這種性能對儲能電池尤其重要。在溫度適應性上，這種膠體蓄電池可以在地表溫度60℃～70℃的情況下不干涸，-30℃～-40℃低溫下膠體蓄電池還能放出70％的電來。

蓄電池的功能就是將風能、太陽能的發(fā)電儲存起來，如自放電大，那就失去儲能作用了。這種膠體蓄電池的電阻率高（5mΩ以上），自放電率低，只有普通鉛酸蓄電池的1/10。

文/錢學海

南京優(yōu)德爾蓄電池有限公司

電話伏逆變電源系統(tǒng)的設計

1、系統(tǒng)的工作原理及其電路設計

光伏系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。

圖1系統(tǒng)的總體框圖

由圖1可知，整個系統(tǒng)包含充電和逆變兩個主要環(huán)節(jié)。太陽電池是本系統(tǒng)賴以工作的基礎，它的效率直接決定系統(tǒng)的效率。

1.1充電控制部分

（1）太陽電池的工作特性

太陽電池作為光伏系統(tǒng)的基礎，其工作特性，包括工作電壓和電流與日照、太陽電池溫度等有著密切的關系，圖2、圖3分別給出了太陽電池溫度在25℃時，工作電壓、電流和日照的關系曲線及太陽電池的輸出功率和日照（S）、U之間的曲線。

從圖2可以看出，曲線上任一點處的功率為P=UI，其值除和U、I有關外，還與日照（S）、太陽電池溫度等有關。由圖3進一步可知，由于太陽電池的工作效率等于輸出功率與投射到太陽電池面積上的功率之比，為了提高本系統(tǒng)的工作效率，必須盡可能地使太陽電池工作在最大功率點處，這樣就可以以功率盡可能小的太陽電池獲得最多的功率輸出。在圖2和圖3中，A、B、C、D、E點分別對應不同日照時的最大功率點。

圖2工作電壓、電流和日照關系曲線

圖3輸出功率和日照關系曲線

（2）太陽電池的最大功率點跟蹤（MPPT）

由圖1可知，系統(tǒng)首先采用太陽電池陣列對蓄電池進行充電，以化學能的形式將太陽能儲存在蓄電池中。在這個過程中，通常采用自尋最優(yōu)控制方式使太陽電池在最大功率點處工作。整個控制過程可以分解成兩個階段進行：

1）確定出太陽電池工作在最大功率點時的輸出電壓值Uref；

2）改變太陽電池對蓄電池的充電電流使太陽電池的輸出電壓穩(wěn)定在Uref。

這兩個階段是由控制電路通過檢測太陽電池的輸出電壓和電流，采用逐次比較法來實現的。

1.2逆變器設計

（1）逆變電路設計

正弦波逆變環(huán)節(jié)采用單相全橋電路，用IGBT作逆變電路的功率器件。IGBT是電壓控制型器件，它集功率MOSFET和雙極型晶體管的優(yōu)點于一體，具有驅動電路簡單、電壓和電流容量大、工作頻率高、開關損耗低、安全工作區(qū)大、工作可靠性高等優(yōu)點。逆變器將蓄電池輸出的直流電壓轉換成頻率為50Hz的SPWM波，再經過濾波電感和工頻變壓器將其轉換為220V的標準正弦波電壓，采用這種方式系統(tǒng)結構簡單，并且能有效地抑制波形中的高次諧波成分。

逆變器的工作方式采用SPWM控制方式，預先將0～360°的正弦值制成表格預存在EPROM中。開關模式信號是利用正弦波參考信號與一個三角載波信號互相比較來生成的，主要有單極性和雙極性兩種類型，在開關頻率相同的情況下，由于雙極性SPWM控制產生的正弦波，其中的諧波含量和開關損耗均大于單極性，故本系統(tǒng)采用的是單極性SPWM控制。

（2）控制核心

圖4是系統(tǒng)的控制框圖，控制芯片80C196MC是INTEL公司繼MCS96之后，于1992年推出的真正16位單片機，其數據處理能力更強，指令的執(zhí)行速度更快，尤其是其內部集成了最具特色的三相波形發(fā)生器(WG)單元，大大簡化了用于SPWM波形發(fā)生的軟件和外部硬件，從而使整個系統(tǒng)結構更加簡單。為了使輸出信號和它的互補信號不致同時有效，在芯片的內部設有死區(qū)發(fā)生器電路，從而避免了同一橋臂上的IGBT上下直通，保護了IGBT。提高太陽能電池板轉換器的效率

由于燃燒化石燃料引起的全球變暖環(huán)境問題、不斷上漲的原油和天然氣價格、對原油依賴導致的政治困境，這些問題促使人們不斷努力提高能源效率。

對于那些能源無法自給的國家，太陽能和其他替代能源擁有無可爭議的優(yōu)勢，可幫助他們達到減少化石燃料消耗和實現能源獨立的目的。用替代能源系統(tǒng)取代化石燃料能源，將對全球經濟和人類生活產生重大影響。但問題是，用替代能源發(fā)電的成本要與化石燃料發(fā)電的成本相近或更少，這樣才能真正減少原油的消耗。

在開發(fā)太陽能技術的過程中，人們把大部分注意力都放在了如何提高光電池的效率上。但另一個不能忽略的重要問題是，如何設計將電池產生的直流電轉換成交流電的電路。為了在成本上與燃燒媒、石油等化石燃料的發(fā)電方式相競爭，設計師為提高逆變器每一個百分點的效率的努力都是非常重要的。

一些太陽能轉換系統(tǒng)制造商把逆變器的轉換效率從92%提高到了96%，這樣他們在市場上成功的機會就會大增。有一種辦法是設計沒有變壓器的DC/DC轉換器。在轉換系統(tǒng)中，由變壓器導致的能量損失大約是2%～3%。因此就要使用更高電壓的晶體管，這種晶體管已經可以在市場上買到了。逆變器的設計

在基于光電流的系統(tǒng)中，電源逆變器控制著太陽能板和電池，以及負載之間的電流，將太陽能板輸出的變化幅度很大的直流電壓轉換成干凈的50Hz或60Hz的正弦電流，輸出給負載或回饋到電網中去。圖1顯示了逆變器在太陽能發(fā)電中的重要作用。圖1

逆變器在提高太陽能轉換效率的過程中發(fā)揮著重要作用

由于太陽能板的輸出電壓是變化的，要保持發(fā)電時盡可能的高效率是非常復雜的。完成這項任務的關鍵是檢測最大功率點(maximumpowerpoint，MPP)。圖2顯示了最大功率點是如何隨天氣和電壓而變的。圖2

太陽能電池的輸出電壓隨電壓和天氣而變

MPP跟蹤技術可用來探測MPP，并調整DC/DC的輸出電壓轉換，以使輸出最大化。MPP跟蹤可以使太陽能電池系統(tǒng)在冬天的整體效率提高1/3或更多，而這時也正是電力需求最高的時候。

控制器確定MPP的最常用算法是干擾電池板的工作電壓，并檢測輸出。算法要在MPP點周圍留出一個足夠大的振蕩范圍，避免當天空掠過云彩時控制器對本地電源發(fā)出錯誤的擾動。電池的算法

擾動和檢測算法的效率并不高，這是由于在每個周期內輸出點都會偏離MPP?？梢圆捎迷隽扛袘惴ㄗ鰹樘娲@種方法可以很好地解決由于振蕩導致的低效率，但又會設定一個本地峰值而不是真實的MPP，從而引發(fā)其他問題。將這兩種算法結合起來，可以保持增量感應算法的高效率，同時又可以以一定間隔在很大范圍內掃描，避免選擇本地的峰值。

顯然，這會給控制逆變器的控制器帶來很大的計算負荷，控制器必須滿足一些實時處理的挑戰(zhàn)。

現在的數字信號控制器可以提供實時控制算法所需的高速運算能力。A/D轉換器、PWM等集成外設使控制器可以直接檢測輸入信號，控制功率MOSFET，片上的flash閃存可用于編程和數據存儲，通信端口簡化了電能表和其他逆變器的組網過程。

在太陽能逆變器中的DSP控制器的高效率已經得到證實，可以把轉換過程中的能量損失減少最多50%。NationalRenewableEnergyLaboratory對分布式電源技術LLC的研究表明，基于DSP的逆變器可以將1個10kW逆變器的制造和人工成本減少56%，同時還減少了逆變器的尺寸和重量。如果想了解更多信息，可從這個鏈接/ncpvprn/pdfs/33586076.pdf下載文件。

德州儀器公司的TMS320F28x數字信號控制器就是一個非常好的例子，它的性能高達150MIPS，可以用1個DSP控制逆變器中的多個轉換級，而且還有富裕的處理能力，可用來執(zhí)行MPP跟蹤算法、電池充電監(jiān)控、浪涌保護、記錄數據和通信等額外的功能。圖3顯示了TMS320F28x控制多個轉換級的框圖。圖3

TMS320F28x可控制多個轉換級

控制器具有非?？焖俚?2位16通道的A/D轉換器，可以高精度地檢測電壓和電流來實現正弦波。為進行安全監(jiān)控，A/D轉換器還提供了電流檢測功能。

此外，芯片上12個獨立控制的增強型PWM通道具有可變的占空比，為轉換器橋和電池充電電路提供了高速開關。

每個增強型PWM都有自己的定時器和相位寄存器，可對相延遲進行編程設定?？梢詫λ械脑鰪娦蚉WM進行同步，來驅動同樣頻率上的多個級。多個定時器提供了所需的時鐘和快速的中斷管理，支持額外的控制任務。包括CAN總線在內的多個標準通信端口為其他組件和系統(tǒng)提供了簡便易用的接口。薄膜太陽能電池技術的簡介

主要技術特點:

[1].可卷曲式薄膜電池生產方式降低了生產成本[2].采用非晶硅技術，原料來源豐富[3].以柔軟的超薄聚合體作太陽能電池的襯底，輕便可折疊[4].產品耐用光伏技術與產業(yè)市場的簡述光伏技術可直接將太陽的光能轉換為電能，用此技術制作的光電池使用方便，特別是近年來微小型半導體逆變器迅速發(fā)展，促使其應用更加快捷。美、日、歐和發(fā)展中國家都制定出龐大的光伏技術發(fā)展計劃，開發(fā)方向是大幅度提高光電池轉換效率和穩(wěn)定性，降低成本，不斷擴大產業(yè)。目前已有80多個國家和地區(qū)形成商業(yè)化、半商業(yè)化生產能力，年均增長達16％，市場開拓從空間轉向地面系統(tǒng)應用，甚至用于驅動交通工具。據報道，全球發(fā)展、建造太陽能住宅（光電池作屋頂、外墻、窗戶等建材用）投資規(guī)模為600億美元，而到2005年還會再翻一倍達1200億美元，光伏技術制作的光電池有望成為21世紀的新能源。以下按其材料分類，展示光伏技術、產業(yè)及市場發(fā)展動向。晶體硅光電池晶體硅光電池有單晶硅與多晶硅兩大類，用P型（或n型）硅襯底，通過磷（或硼）擴散形成Pn結而制作成的，生產技術成熟，是光伏市場上的主導產品。采用埋層電極、表面鈍化、強化陷光、密柵工藝、優(yōu)化背電極及接觸電極等技術，提高材料中的載流子收集效率，優(yōu)化抗反射膜、凹凸表面、高反射背電極等方式，光電轉換效率有較大提高。單晶硅光電池面積有限，目前比較大的為Φ10至20cm的圓片，年產能力46MW／a。目前主要課題是繼續(xù)擴大產業(yè)規(guī)模，開發(fā)帶狀硅光電池技術，提高材料利用率。國際公認最高效率在AM1.5條件下為24％，空間用高質量的效率在AM0條件約為13.5?18％，地面用大量生產的在AM1條件下多在11?18％之間。以定向凝固法生長的鑄造多晶硅錠代替單晶硅，可降低成本，但效率較低。優(yōu)化正背電極的銀漿和鋁漿絲網印刷，切磨拋工藝，千方百計進一步降成本，提高效率，大晶粒多晶硅光電池的轉換效率最高達18.6％。非晶硅光電池a-Si（非晶硅）光電池一般采用高頻輝光放電方法使硅烷氣體分解沉積而成的。由于分解沉積溫度低，可在玻璃、不銹鋼板、陶瓷板、柔性塑料片上沉積約1μm厚的薄膜，易于大面積化（0.5m×1.0m），成本較低，多采用pin結構。為提高效率和改善穩(wěn)定性，有時還制成三層pin等多層疊層式結構，或是插入一些過渡層。其商品化產量連續(xù)增長，年產能力45MW／a，10MW生產線已投入生產，全球市場用量每月在1千萬片左右，居薄膜電池首位。發(fā)展集成型a-Si光電池組件，激光切割的使用有效面積達90％以上，小面積轉換效率提高到14.6％，大面積大量生產的為8-10％，疊層結構的最高效率為21％。研發(fā)動向是改善薄膜特性，精確設計光電池結構和控制各層厚度，改善各層之間界面狀態(tài)，以求得高效率和高穩(wěn)定性。多晶硅光電池p-Si（多晶硅，包括微晶）光電池沒有光致衰退效應，材料質量有所下降時也不會導致光電池受影響，是國際上正掀起的前沿性研究熱點。在單晶硅襯底上用液相外延制備的p-Si光電池轉換效率為15.3％，經減薄襯底，加強陷光等加工，可提高到23.7％，用CVD法制備的轉換效率約為12.6-17.3％。采用廉價襯底的p-Si薄膜生長方法有PECVD和熱絲法，或對a-Si：H材料膜進行后退火，達到低溫固相晶化，可分別制出效率9.8％和9.2％的無退化電池。微晶硅薄膜生長與a-Si工藝相容，光電性能和穩(wěn)定性很高，研究受到很大重視，但效率僅為7.7％。大面積低溫p-Si膜與-Si組成疊層電池結構，是提高a-S光電池穩(wěn)定性和轉換效率的重要途徑，可更充分利用太陽光譜，理論計算表明其效率可在28％以上，將使硅基薄膜光電池性能產生突破性進展。銅銦硒光電池

CIS（銅銦硒）薄膜光電池已成為國際光伏界研究開發(fā)的熱門課題，它具有轉換效率高（已達到17.7％），性能穩(wěn)定，制造成本低的特點。CIS光電池一般是在玻璃或其它廉價襯底上分別沉積多層膜而構成的，厚度可做到2?3μm，吸收層CIS膜對電池性能起著決定性作用?，F已開發(fā)出反應共蒸法和硒化法（濺射、蒸發(fā)、電沉積等）兩大類多種制備方法，其它外層通常采用真空蒸發(fā)或濺射成膜。阻礙其發(fā)展的原因是工藝重復性差，高效電池成品率低，材料組分較復雜，缺乏控制薄膜生長的分析儀器。CIS光電池正受到產業(yè)界重視，一些知名公司意識到它在未來能源市場中的前景和所處地位，積極擴大開發(fā)規(guī)模，著手組建中試線及制造廠。碲化鎘光電池CdTe（碲化鎘）也很適合制作薄膜光電池，其理論轉換效率達30％，是非常理想的光伏材料。可采用升華法、電沉積、噴涂、絲網印刷等10種較簡便的加工技術，在低襯底溫度下制造出效率12％以上的CdTe光電池，小面積CdTe光電池的國際先進水平光電轉換率為15.8％，一些公司正深入研究與產業(yè)化中試，優(yōu)化薄膜制備工藝，提高組件穩(wěn)定性，防范Cd對環(huán)境污染和操作者的健康危害。砷化鎵光電池GaAs（砷化鎵）光電池大多采用液相外延法或MOCVD技術制備。用GaAs作襯底的光電池效率高達29.5％（一般在19.5％左右），產品耐高溫和輻射，但生產成本高，產量受限，目前主要作空間電源用。以硅片作襯底，用MOCVD技術異質外延方法制造GaAs電池是降低成本很有希望的方法。其它材料光電池InP（磷化銦）光電池的抗輻射性能特別好，效率達17?19％，多用于空間方面。采用SiGe單晶襯底，研制出在AM0條件下效率大于20％的GaAs／Si異質結外延光電池，最高效率23.3％。Si／Ge／GaAs結構的異質外延光電池在不斷開發(fā)中，控制各層厚度，適當變化結構，可使太陽光中各種波長的光子能量都得到有效利用，GaAs基多層結構光電池效率已接近40％。展望國內自1958年起研究光伏技術，目前正加速發(fā)展光伏技術，完善、提高及應用開發(fā)a-Si制備技術，約有30個科研單位和10個生產廠，生產能力超過5.5MW／a。由于受市場及材料問題的困擾，生產成本高，實際產量只有1.5-2MW／a。在2001-2020年，擬實施光伏電源推動計劃，發(fā)展戶用光伏（50W）、小型光伏（10-0KW）、特種光伏系統(tǒng)和聯網光伏電站規(guī)劃，以市場帶動技術發(fā)展。人類生活的衣、食、住、行都離不開能源，開發(fā)新能源的光伏技術已成為國際上熱門課題，每年都有大型國際性會議研討光伏技術，MW級中、大型光伏電站正在全球建設和發(fā)展，10MW級的也已建成投產。展望21世紀，效率高、成本低的薄膜化光電池將占光伏技術的主導地位，附有太陽光發(fā)電系統(tǒng)的住宅將會逐漸普及，二十年代有望在空間建造太陽能電站，用微波或激光等電能傳輸技術將電能送到地面供電。有專家建議在各大洲建立大型光伏發(fā)電站，用超導電纜連接成全球性太陽能發(fā)電廠超導聯網系統(tǒng)，使供電不受晝夜變化影響，迎來一個光伏技術的新時代。人類最理想的能源太陽能發(fā)電隨著經濟的發(fā)展、社會的進步，人們對能源提出越來越高的要求，尋找新能源成為當前人類面臨的迫切課題。新能源要同時符合兩個條件：一是蘊藏豐富不會枯竭；二是安全、干凈，不會威脅人類和破壞環(huán)境。目前找到的新能源主要有兩種，一是太陽能，二是燃料電池。另外，風力發(fā)電也可算是輔助性的新能源。其中，最理想的新能源是大陽能。照射在地球上的太陽能非常巨大，大約40分鐘照射在地球上的太陽能，便足以供全球人類一年能量的消費?？梢哉f，太陽能是真正取之不盡、用之不竭的能源。而且太陽能發(fā)電絕對干凈，不產生公害。所以太陽能發(fā)電被譽為是理想的能源。太陽能發(fā)電系統(tǒng)由太陽能電池組．太陽能控制器，蓄電池(組)組成.如輸出電源為交流220v或110v,還需配置逆變器，各部分的作用為：1.大陽能電池板：太陽能電池板是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分，也是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中價值最高的部分．其作用是將太陽的輻射能力轉換為電能．或送往蓄電池中存儲起來，或推動負載工作．2.太陽能控制器：太陽能控制器的作用是控制整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)．并對蓄電池起到過充電保護．過放電保護的作用。在溫差較大的地方．合格的控制器還應具備溫度補償的功能．其他附加功能如光控開關．時控開關都應當是控制器的可選項。3.蓄電池：一般為鉛酸電池，小微型系統(tǒng)中．也可用鎳氫電池鎳錫電池或鋰電池．其作用是在有光照時將太陽能電池板所發(fā)出的直流電能儲存起來．到需要的時候再釋放出來，4.逆變器：太陽能組件的直接輸出一般都是12VDC,24VDC,48VDC.為能向220VAC的電器提供電能．需要將太陽能發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)出的直流電能轉換成交流電能．因此需要使用DC－AC逆變器．太陽能電池的原理及制作太陽能電池的原理及制作

太陽能是人類取之不盡用之不竭的可再生能源。也是清潔能源，不產生任何的環(huán)境污染。在太陽能的有效利用當中；大陽能光電利用是近些年來發(fā)展最快，最具活力的研究領域，是其中最受矚目的項目之一。

制作太陽能電池主要是以半導體材料為基礎，其工作原理是利用光電材料吸收光能后發(fā)生光電于轉換反應，根據所用材料的不同，太陽能電池可分為：1、硅太陽能電池；2、以無機鹽如砷化鎵III-V化合物、硫化鎘、銅銦硒等多元化合物為材料的電池；3、功能高分子材料制備的大陽能電池；4、納米晶太陽能電池等。

一、硅太陽能電池

1．硅太陽能電池工作原理與結構

太陽能電池發(fā)電的原理主要是半導體的光電效應，一般的半導體主要結構如下：

當硅晶體中摻入其