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CdTe蹄化镉薄膜光伏电池技术研究

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  【摘 要】CdTe(蹄化镉)薄膜光伏电池技术是通过对CdTe薄膜特性、光电转换效率、高效充电特性的研究,提出一种制作CdTe(蹄化镉)薄膜光伏电池的方法。该技术采用了矩阵开关电路,解决了强弱光自适应及低功耗的技术难题;采用非对称的多个电池芯、电芯开关电路和控制软件,提高了电池的使用寿命。
  【关键词】CdTe;薄膜;光伏电池
  【中图分类号】TM914.42 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688(2019)05-0049-02
  1 研究背景
   目前,光伏电池市场的主流产品是以晶硅技术为主的光伏电池,晶硅电池又分晶体光电池和非晶体光电池。其中,晶体光电池生产工艺成熟,转换效率高,仍是现阶段光伏市场的主导产品。虽然太阳能被视为清洁能源,但晶体硅的提炼过程却是高能耗、高污染的工序。面对全球气候变暖、二氧化碳排放量超标等问题,晶硅光电池未来的发展令人担忧。
   CdTe(碲化镉)是Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体,带隙1.5eV,和太阳的光谱最一致,可吸收95%以上的阳光;其理论转换效率达30%,是非常理想的光伏材料。CdTe(碲化镉)薄膜太阳能电池在成本上大大低于晶体硅和其他材料的太阳能电池,具有低能耗、可回收(生命周期结束后)、强弱光均可发电、温度越高表现越好等特点。拥有如此多优势的CdTe(碲化镉)薄膜太阳能电池在全球市场占有率上已经开始向传统晶体硅太阳能电池发起了挑战。
  2 CdTe(蹄化镉)薄膜光伏电池
   CdTe(碲化镉)薄膜太阳能电池简称CdTe电池,是一种以P型碲化镉(CdTe)和N型硫化镉(CdS)的异质结为基础的太阳能电池。一般标准的碲化镉薄膜太阳能电池由5层结构组成,即玻璃衬底、透明导电氧化层(TCO层)、硫化镉(CdS)窗口层、碲化镉(CdTe)吸收层、背接触层和背电极。
   与结晶硅太阳电池不同,薄膜型太阳电池仅需要一层极薄的光电材料,因此其所使用材料量相对较低。此外,薄膜的基板可使用软性或硬性的基材,可选择性高,制作成本一般低于结晶硅太阳电池,为其成本的30%~40%。薄膜型太阳电池目前已有或正在开发的包括非晶硅、碲化镉薄膜、染料敏化、铜铟硒、铜铟镓硒合金薄膜等薄膜太阳电池。在这几类太阳电池中,硅类太阳电池生产规模最大,技术成熟,而且由于薄膜电池用材省,成本低,现已成为研究的热点。碲化镉薄膜太阳电池属于II-VI族化合物半导体,其结构主体由2μm层的P-型CdTe层与仅0.1μm的N-型窗口CdS膜层形成,光子吸收层主要发生于CdTe层,吸光效率系数>105 cm-1,故厚度相当薄,并可吸收90%以上的光,转换效率在8%以上,成为目前有较大趋势取代硅类太阳电池的潜力品种。
   目前,CdTe(碲化镉)薄膜太阳电池在生产工艺上主要采用近距蒸发方法(CSS)制作薄膜太阳电池,制作方法复杂,生产效率不高。本技术从生产碲化镉太阳电池的工艺着手进行研究开发,目的在于较大幅度地降低其生产成本,降低太阳能电池的价格,提高薄膜太阳能电池的吸光率和对薄膜太阳电池板的保护。
  3 CdTe(蹄化镉)高效充电的研究
   本文进行了硅晶电池和碲化镉电池光电转换效率实验的研究,主要是在相同的阳光照射条件下,测试硅晶电池和碲化镉电池的充电特性;测量硅晶电池和碲化镉电池充电电量,计算两种电池充电量的差别等,从而验证硅晶电池和碲化镉电池光电转换效率。
  3.1 实验目的
   验证硅晶电池和碲化镉电池光电转换效率。
  3.2 实验设备
   2组硅晶光伏电池板(每组10块)、2组碲化镉太阳能光伏电池板(每组10块)、光伏电池架、蓄电池、光电传感器、电流表、电脑、分析软件等。
  3.3 实验原理
   本实验原理如下:采用太阳光直接照射2组不同材料的太阳能光伏电池板,光伏电池板将吸收的光能直接转化成电能,给蓄电池充电。在相同时间内,测量2组不同材料的太阳能光伏电池板对蓄电池充电的电量,通过计算得出2组不同材料的太阳能光伏电池板的光电转化效率。
  3.4 实验电路连接
   ①将20块碲化镉光伏电池板每10块串联成一组,共串成2组,再将2组并联成1组;并将光电传感器、电流表分别接入电路;最后将蓄电池接入电路。②将20块硅晶光伏电池板也如上述方法接入电路。
  3.5 实验过程
   ①将2个蓄电池放电,放電完成后,记录最后剩余电量,要求2个蓄电池的剩余电量相同。②按实验电路连接要求,连接好电路;要求电池板正对阳光。③实验时间设定为10 h,从8点开始,到18点测试结束。④实验数据每30 min记录1次,每种电池板数据记录共20组。
  3.6 实验数据
   实验数据见表1。
  3.7 实验结果与分析
   从实验测试数据我们可以得出以下结论:①相同条件下,碲化镉光伏电池板平均充电电流为2.76 A;硅晶光伏电池板平均充电电流为1.84 A;碲化镉光伏电池板充电电流高于硅晶光伏电池板的充电电流。②相同条件下,碲化镉光伏电池板10 h充电电量为1 933.74 Ah;而硅晶光伏电池板10 h充电电量只有1 291.66 Ah,比碲化镉少了642.08 Ah。③碲化镉光伏电池板充电效率是硅晶光伏电池板的1.5倍。
  4 非对称电池组技术的应用
   多电芯电池技术在很多领域已经有应用,但主要是用于提升蓄电池的总体容量或输出电压,而在本技术中,我们将采用非对称电池组技术解决太阳能电池应急快速充电功能和电池寿命保护的难题。非对称蓄电池组包括1个小容量的蓄电池单元和1个或多个大容量蓄电池单元,利用太阳能电池供电的装置对非对称蓄电池充电的电路。    该技术利用了小容量蓄电池单元充电时间较短的特性,在正常使用过程中,通过定期检测各电芯电压情况,合理选择充电、放电电芯,防止单一电芯频繁充放电的情况,有效保护了电池的使用寿命。
  5 技术的创新性
   ①采用矩阵开关电路,解决了强弱光自适应及低功耗的技术难题。通过检测单元和控制软件,实现光电转化最大功率输出的智能矩阵控制技术,具有智能、高效、低成本等明显优势。②率先采用非对称的多个电池芯、电芯开关电路和控制软件,实现了太阳能电池快速给蓄电池充电、设备快速反应的功能,并且有效提高蓄电池的使用寿命。③采用聚光钢化玻璃、增透膜技术、光电转换板分组设计等技术,提高了光电板的光能利用率。
  6 CdTe(蹄化镉)薄膜光伏电池制作技术
   本技术研究目的在于提供一种CdTe(碲化镉)薄膜太阳能电池的制作技术及方法,用于提高现有技术中碲化镉薄膜太阳能电池的吸光率和耐磨率,并且降低现有技术中碲化镉薄膜太阳能电池生产成本高的问题。
   CdTe(碲化镉)薄膜太阳能电池由吸光防护层、玻璃层、碲化镉层、硫化镉层、石墨层和背电极层组成。碲化镉薄膜太阳能电池各层的厚度分别如下:吸光防护层为50~100 nm、玻璃层为10~15μm、碲化镉层为10~15μm、硫化镉层为200~350 nm、石墨层为100~200 nm、背电极层为200~350 nm。
   CdTe(碲化镉)薄膜太阳能电池的制作方法如下:①制备硫化镉和碲化镉颗粒。②把制备的硫化镉和碲化镉颗粒制备成胶体液并依次涂布在玻璃层上,分别进行烘干。③在烘干的碲化镉层上采用真空镀膜的方法依次喷涂石墨层和背电极层。④在玻璃层上粘贴吸光防护层,完成碲化镉薄膜太阳能电池的制作。本制备方法提高了碲化镉薄膜太阳能电池的吸光率和耐磨率,降低了碲化鎘薄膜太阳能电池生产成本。
  7 结语
   CdTe(碲化镉)薄膜太阳能电池在成本上大大低于晶体硅和其他材料的太阳能电池,和太阳的光谱最一致,可吸收95%以上的阳光。同时,它具有低能耗、可回收(生命周期结束后)、强弱光均可发电、温度越高表现越好等特点。因此,碲化镉薄膜太阳能电池是目前较为理想的替代传统晶体硅太阳能电池的原料,它的替代完成将结束晶体硅在提炼过程中的高能耗、高污染历史,达到效益、节能及环保“三赢”的效果。
  参 考 文 献
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  [责任编辑:钟声贤]
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