太阳能充电控制器

太阳能充电控制器 能根据蓄电池电压高低，调节充电电流大小，并决定是否向负载供电，实现以下目标。 1． 经常保 持蓄电池处在饱满状态。 2． 防止蓄电池过度充电。 3． 防止蓄电池过度放电。 4． 防止夜间蓄电池 向太阳能板反向充电。连接（如图所示） 1． 将太阳能板的“”、 “－”极正确牢固地连接到控制器相应 的端子上（左起第 1、第 2） ； 2． 将蓄电池的“”、 “－”极下确牢固地连接到控制器相应的端子上（左起 第 3、第 4） ； 3． 将负载的“”、 “－”极正确牢固地连接到控制器相应的端子上（左起第 5、第 6） 。指示 灯 1． 电压指示灯 3 支，指示蓄电池电压的高低。3 去全亮时表示电压充足。只亮 1 支或者 2 支时， 说明蓄电池电压偏低，有可能负载不能工作，属正常现象。待蓄电池电压被充电到达 12.6V或 25.2V以上 时负载会被容许工作。 2． 充电指示灯 1 支，亮起表示正在强力充电，闪动表示正在浮动充电，不亮表 示充电已经停止。 3． 负荷指示灯 1 支，亮起表示有输出，负载可以工作；不亮表示没输出，负载不能 工作。注意事项 1． 接线前请仔细核对并确认太阳能板、蓄电池、负载的额定电压，三者的额定电压 应相同，且都是 12V（24V） 。 2． 边线时特别注意太阳能板、蓄电池、负载的“”、 “－”极都不能接错。 接错有可能烧坏您的控制器。太阳能板、负载的额定电流不得大于控制器的额定电流 相关信息 产品名称太阳能充电控制器 产品产地\ 产品价格\ 公司名称北京中海龙电子科技有限公司 联 系 人路梅 联系电话010-51718777/81629630 联系手机86629630 公司传真010-51718986 公司网址http//www.zhlkj.com E-mail bjzhlkj126.com 太阳能控制器 KZ 系列太阳能智能控制器功能如下 ★ 输出两路 220V 交流电压 ★ 输出一路交流 220V,一路直流 12- 48V ★ 输出直流 12-48V ★ 采用单片机微电脑芯片控制 ★ 自动开关灯功能（天黑负载开通、天亮负载 切断） ★ 蓄电池过充与过放保护 ★ 涓流充电功能（蓄电池达到过充保护点时，采用定电压、小电流充 电） ★ 自动恢复放电功能（蓄电池达到过放保护点时，控制器自动切断负载回路，只有充电到 11. 6V 后，电路方能恢复正常放电） ★ 温度补偿功能（ -4mV/ ℃） ★ 防止反充功能（蓄电池向太阳能电池 充电） ★ 防止蓄电池与太阳能电池反接功能 ★ 过载与短路保护功能 产品名称太阳能控制器 产品产地 产品价格 公司名称华龙能源科技（莆田）有限公司 联 系 人小许 联系电话0594-6961988 联系手机13107975355 公司传真0594-6963188 公司网址http//www.huadragon.com E-mail china_huadragon163.com 太阳能发电系统原理及分类 太阳能就是太阳辐射能。在太阳里每时每刻都进行着激裂的核裂变和核聚变反应，从而产生大量的热。 太阳表面的温度达 6000 ℃左右内部温度高达数百万度。由于太阳的温度很高它不断地向宇宙空间辐射能 量，包括可见光不可见光和各种微粒，总称为太阳辐射。 地球上除核能以外的一切能源无论是煤炭、石油、天然气、水力或风力都来自太阳,全球人类目前每 年能源消费的总和只相当于太阳在 40 分钟内照射到地球表面的能量。太阳能随处可得，不必远距离输送， 而且是洁净的能源。由于这些独特的优点太阳能发电作为新兴的产业正在迅速崛起。 太阳能发龟系统可分为太阳能热发电和太阳能光发电两类。太阳能热发电就是利用太阳能将水加热， 使产生的蒸汽去驱动汽轮发电机组。根据热电转换方式的不同把太阳能电站分为集中型太阳能电站和分散 型太阳能电站。塔式太阳能电站是集中型的一种，即在地面上敷设大贵的集热器即反射器阵列，在阵列 中适当地点建一高塔，在塔顶设置吸热器即锅炉，从集热器来的阳光热聚集到吸热器上使吸热器内的工 作介质温度提高变成燕汽通过管道把蒸汽送到她面上的汽轮发电机组发电。 分散型太阳能电站的集热装置的特点是以一个镜体配合一个吸热器组成一个独立的单元。根据发电容 量的设计要求， 串、并联若干单元组成电站。 太阳能光发电是利用太阳电池组将太阳能直接转换为电能。太阳电池由单晶硅或非晶硅薄膜制成，转 换效率最多为 10-17 。将太阳电池排成方阵其总面积决定所需的功率。太阳电池发出直流电而且要随 阳光的强弱变化所以还得配备逆变器将直流电变为交流电、蓄电池和相应的调控设备。太阳能光发电已广 泛用于人造地球卫星和宇航设备上，也可作为孤立地区的独立电源然而将来其造价进一步降低之后，太阳 能发电将进入千家万户。 近年来人们对建造宇宙空间太阳能电站的问题进行了大量的研究。宇宙空间太阳能电站的主要技术内 容是在绕地球的同步轨道上建造卫星电站太阳辐射能通过光电池转变成电能，用微波发生装置将电能转 变为微波，然后再以集束形式把微波发射到地面接收站地面接收装置再把微波转变成电能输送到电网中。 太阳能发电系统介绍 太阳能发电系统由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池（组）组成。如输出电源为交流 220V 或 110V，还需要配置逆变 器。各部分的作用为 （一） 太阳能电池板太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将 太阳的辐射能力转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。 （二） 太阳能控制器太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。 在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。其他附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项； （三） 蓄电池一般为铅酸电池，小微型系统中，也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。其作用是在有光照时将太阳能电池 板所发出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来。 （四） 逆变器太阳能的直接输出一般都是 12VDC、24VDC、48VDC。为能向 220VAC 的电器提供电能，需要将太阳能发 电系统所发出的直流电能转换成交流电能，因此需要使用 DC-AC 逆变器。 太阳能发电系统的设计需要考虑的因素 1、 太阳能发电系统在哪里使用该地日光辐射情况如何 2、 系统的负载功率多大 3、 系统的输出电压是多少，直流还是交流 4、 系统每天需要工作多少小时 5、 如遇到没有日光照射的阴雨天气，系统需连续供电多少天 6、 负载的情况，纯电阻性、电容性还是电感性，启动电流多大 7、 系统需求的数量。 蓄电池的四个发展阶段 1.1.1 普通铅酸蓄电池 在 50 年代，生产的铅蓄电池叫普通电池，当时的产品用户启用时都要有“初充电”工艺环节。电解液注入电池后，电池发热， 待电解温度降下来后，进行第一次充电。充电后再放出容量，这个循环叫充放电循环。初充电的工艺过程在早期有 6 次充电 5 次放电之多，后随着技术的发展，充放电循环次数逐步减少。铁道部原机务局曾规定三充两放。 为什么要进行三充两放 三充两放的目的是检测蓄电池的实际容量。 铅蓄电池电化反应方程式是 PbO2H2SO4PbPbSO42H2OPbSO4 （1.1） 电池放电的条件是右边的三要素，缺一不可。放出的电容量是按桶板原理组成的，但新电池的放电却得不到应有的容量，这 是因为负板 Pb 在硫酸电液注入前就被氧化了。 2PbO22PbO . （1.2） 在电池生产的化成工序中，生极板变成了熟极板，熟负极板上的铅具有高度活化性，从化成槽中取出后，可同空气中的氧迅 速进行 1.2 式的反应，同时放出大量的热。于是，极板就由高势能状态降低为低势能状态，这个反应使负极板失去了活性。在潮 湿的条件下，反应进行的十分迅速。经水洗干燥后，这种反应并没有停止。组装成电池，直到启用时仍在进行。注入硫酸电解 液后。就再次发生电热反应。 PbOH2SO4PbSO4H20Q （1.3） 这个反应使电池负极失去了电活性。初充电的充放电循环目的就是将负极板活化。 1.1.2 发展到干荷电电池 为了给用户提供方便，取消初充电工艺环节，就需要保护负极板，使其在生产、储运过程中不被氧化。这就需要使负极板活 性物质具有抗氧化能力，现在采取的技术措施是 ①.在铅膏配方中添加抗氧化剂，如松香、乙二酸。 ②.将铅微粒包裹一层抗氧化剂，如油、硼酸。 只要将负极保护好，不使其氧化，这样就得到了在未注液前的干状态下就能保持其带电性的荷电极板，简称干荷电极板。用 干荷电极板组装电池一旦注液，30 分钟内电池就能达到 80％的容量，电池就可投入使用。 1.1.3.发展到免维护电池 在电池的使用中，常需要补充水，因为一旦缺水电池就损坏了。补水是件十分麻烦的事，因为许多用户在需要补水时找不到 合格的电瓶水。 电池失水的原因是 ①物理失水电解液会受热蒸发。 ②化学失水由于杂质存在，杂质与铅构成微电池，使水不断分解成气体。 ③电化失水过充电时，当充电电压超过 2.3V 时，水分解就发生。要减少其耗电量，必须将水的分解电压值提高。 在以上这三种失水形式中，后两种是主要的，最后一种原因造成失水的比例最大。 现已找到一种铅钙合金，使用铅钙合金制造电池时，水的分解电压就由 2.3V 提高到 2.45V。如果将充电电压控制在 2.45V 以 下，电池在使用时的耗水量就能降到很少，汽车电池充电电压是 14.4V0.1V，平均到每个单格为 2.40.016V。现已做到汽车 电池连续装车行驶 6 个月－8 个月加一次水，生产厂家为了推销方便，把这个耗水量很低的电池起名为“免维护电池”，即 “MF”电池，这是这种电池的商业名字。事实上，这种电池维护工作包括检测技术状态、补充电、补水。只把加水周期延长 了，对维护的要求高了，并不是真正意义的“免维护”。 从技术角度分析，真正免维护电池是没有的。 1.1.4.发展到密闭电池 免维护电池的水耗电量能否再减少，使电池在整个使用期内不补水，在特殊情况下电池允许自由取向，立式、卧式都能工作。 密闭电池的关键是如何将电池中产生的气体在电池中重新合成为水。 密闭电池早在 50 年代就有，那时是采用金属钯作催化剂，使电池中的氢气和氧气在无焰状态下化合成水 H2O2→H2OQ 1-4 由于化合是从高能态的气体转化成低能态的液体，所以会释放出大量的热，这些热量能使钯珠的温度达 300℃左右。由于钯 昂贵，电池使用条件十分严格，所以这种电池只有在特殊情况下使用，如潜艇、水电站等。 到 70 年代，又发展一种阴极吸收式密闭电池，这种电池消除气体的办法是，首先使电池尽可能不产生氢气 H2，氧气 O2 是 通过负极吸收转化成液体的成份。 转化过程如式 1-5 所示 负极 充电 O2Pb→PbOH2SO4→PbSO4H2O →PbH2SO41-5 消气过程是在正极 PbO2 上充电时产生 O2，同负极上 Pb 反应生成氧化铅 PbO，PbO 同电解液中的硫酸 H2SO4 反应生成 硫酸铅 PbSO4 和水，负极上的 PbSO4 经充电又恢复成 Pb，硫酸根 SO2-4 又一次进入电液，使电液密度值升高。 在上述消气过程中，其关键是隔板必须是透气的。现采用的办法是利用玻璃毛毡的吸液性，在用玻璃毛毡制成的隔板中保持 气相、液相、固相共存。这样，在正极上产生 O2 能通过毛毡上的气体通道，逐步扩散到负极上去。消除 O2 的过程是个动平衡 的过程，产生 O2 的量与消除 O2 的量达到平衡时，电池使用才是安全的。 一旦发生过充电，产生 O2 的量大于消除 O2 的量，会使电池内气体压力越来越大，为了避免发生爆炸事故，电池顶盖上都 设有安全阀，以防不测。所以这种电池都叫“阀控式阴极吸收密闭免维护电池”。 不难理解，密闭电池应使用电压精度较高的恒压充电机充电，绝对不允许用恒流充电进行补充电作业。过充电对密闭电池来 讲可谓是第一杀手。 蓄电池剩余容量在线测试 蓄电池是一种使用非常广泛的产品，例如太阳能光伏系统、移动通讯的基站、汽车等等都少不了它，它又是成本比较高的 产品，因此如何延长其使用寿命，是一项很有意义的工作。而快速在线检测蓄电池的剩余容量 SOC（又称蓄电池的荷电状态）， 便于蓄电池的用户或检修工程师迅速了解蓄电池的状态，以便采取措施，防止蓄电池的过充电和过放电，从而可达到延长蓄电 池的使用寿命。SOCT-I 蓄电池容量测试仪就是为达此目的而研制的。 蓄电池剩余容量放电和充电过程的数学模型 铅酸蓄电池剩余容量（SOC）与蓄电池端电压、充放电电流、初始电液比重、环境温度等物理化学参数之间的关系可以用数 学模型表示触及于这个数学模型，就可以通过测量蓄电池充放电过程中的各个物理参数得知蓄电池的当前容量。数学模型表达 式如下 U 放Ur-axLOG1DOD/SOC- bxLOG1I/Ahx1KT-25xDODx100-I/Ahx1KT-25xcx0.01x25-TxDOD a由于反应物和生成物比例改变引起的电压变化的常数，0.10.2 ； b电化学极化项常数，0.10.15； c 内阻极化项常数，0.080.15 。 U 充UrdxLOG1SOC/DODexLOGI/Ahx1KT-25xSOCx100I/Ahx1KT-25xfx0.01x25-TxDOD d由于反应物和生成物比例改变引起的电压变化的常数，0.10.2； e 电化学极化项常数，0.20.25 ； f内阻极化项常数，0.150.25 。 JK SOC-I 蓄电池剩余容量测试仪就是根据上述蓄电池剩余容量放电和充电过程的数学模型研制的。 蓄电池剩余容量在线测试仪的研制方案 从数学模型可以看出几个主要物理量对 SOC 的影响较大 1.不同充放电率 I/Ah； 2.不同初始电压 Ur； 3.不同温度 T 。 温度主要影响蓄电池的额定容量。 温度对额定容量的影响CaCr[1K（T-25 ）] Ca 任何温度下的蓄电池实际容量； Cr蓄电池在 25℃下的额定容量； T 实际温度℃； K温度系数，温度每变化 1℃，SOC 变化约为 0.5～0.8。 温度对额定容量的影响表现在对充放电率 I/Ah 的影响，温度降低或增加 20℃，充放电率增大或减小 10 ～16。一般蓄 电池的工作温度最多在 2510℃变化，因此，充放电率也只在（5～ 8）变化。对 SOC 的影响就更小。 可以看出温度对 SOC 的影响比起 I/Ah、Ur 要小得多。从蓄电池端电压与 SOC 之间关系的数学模型分析，SOC 除了与端电压有关以外，还与蓄 电池充放电率、初始电动势、温度等物理量有关，因此在设计蓄电池容量在线测试仪时，必须考虑到这些物理量的输入方式， 同时必须便于工程师携带。还有一个因素即成本，应在保证实现所有功能前提下尽可能降低成本。 综合考虑上述因素，拟采用下述方案 1.用嵌入式微处理器芯片作为仪器的核心器件，由它按蓄电池端电压与 SOC 之间关系数学模型完成主要计算； 2.有两个模拟量需实测蓄电池电压、环境温度。为降低成本，拟采用串行数据输出的 A/D 转换芯片； 3.蓄电池充放电率、初始电动势拟采用小键盘输入； 4.采用 12864LCD 液晶显示器显示输入量及计算出的 SOC； 5.为便于携带供电方式拟采用两种方式电池或 15V 稳压电源。 按上述方案设计的蓄电池容量在线测试仪微处理器采用 AT89S52 单片机，此单片机低成本，低功耗，高性能，易扩充，并 有 8K 程序存储器， SOC 的计算及键盘输入、LCD 显示等控制都由此芯片完成；温度检测采用了 DALLAS 的 DS18B20。此芯片 具有温度传感器和 A/D 转换功能，转换后的串行数据通过 one _wire一线与 CPU 通讯。测量温度范围从-55 ℃到125 ℃，芯片 转换精度为 0.0625℃；端电压采样采用物美价廉的电压转频率芯片 LM331，调到转换精度为 1/1 000V，即调成 1V 电压转换为 1 000Hz 频率；电源模块采用一个插入开关，当没有外部电源时由电池供电，当有外部电源接入时，断开电池连接，由 15V 直流 适配器给电路供电。测试仪所用数学模型经广东番禺恒达蓄电池总厂产品测试，误差不超过 10。 北京市计科能源技术开发公司 电话010-82609975 21 世纪的绿色能源 太阳电池 1.引言 在大多数人的心目中，电力是一种清洁的能源，当使用电灯、电视、电冰箱、空调等电器时，也许我们并没有意识到电力 对环境造成的破坏，实际燃煤发电对环境的破坏是很大的。我国现在是世界上第二号温室气体的排放大国，而常规电力生产使 用煤、石油、天然气发电，已经成为我国二氧化碳等温室气体的主要排放源之一，而且燃煤还大量排放二氧化硫等有害气体。 当我们使用常规电力时，我们其实是间接的污染者，因为我们对电力的需求才产生了供给，从而间接对环境造成了污染。同时 我们又是污染的受害者。 21 世纪，人类将面临实现经济和社会可持续发展的重大挑战，在有限资源和环保严格要求的双重制约下发展经济己成为全 球热点问题。而能源问题将更为突出。能源短缺使世界上大部分国家能源供应不足，不能满足其经济发展的需要。从长远来看， 全球已探明的石油储量只能用到 2020 年，天然气也只能延续到 2040 年左右，即使储量丰富的煤炭资源也只能维持二三百年。 由于燃烧煤、石油等化石燃料，每年有数十万吨硫等有害物质抛向天空，使大气环境遭到严重污染，直接影响居民的身体 健康和生活质量；局部地区形成酸雨，严重污染水土。化石能 源的利用产生大量的温室气体而导致温室效应；引起全球气候变化。这一问题已提到全球的议事日程，有关国际组织已召开多 次会议，限制各国 CO2 等温室气体的排放量。因此，人类在解决上述能源问题，实现可持续发展，只能依靠科技进步，大规模 地开发利用可再生洁净能源。 太阳能具有储量的“无限性” 太阳每秒钟放射的能量大约是 1.61023KW，一年内到达地球表面的太阳能总量折合标准煤共约 1.8921013 千亿吨，是目前世界主要能源探明储量的一万倍。相对于常规能源的有限性，太阳能具有储量的“无限性”，取之不 尽，用之不竭。对于其他能源来说，太阳能对于地球上绝大多数地区具有存在的普遍性，可就地取用。这就为常规能源缺乏的 国家和地区解决能源问题提供了美好前景。利用的清洁性太阳能像风能、潮汐能等洁净能源一样，其开发利用时几乎不产生任 何污染。利用的经济性可以从两个方面看太阳能利用的经济性。一是太阳能取之不尽，用之不竭，而且在接收太阳能时不征收 任何 “税”，可以随地取用；二是在目前的技术发展水平下，太阳能利用不仅可能而且可行。鉴于此，太阳能必将在世界能源结 构转换中担纲重任，成为理想的替代能源。 2.太阳能电池 50 年代第一块实用的硅太阳电池的问世，揭开了光电技术的序幕，也揭开了人类利用太阳能的新篇章。自 60 年代太阳电池 进入空间、70 年代进入地面应用以来，太阳能光电技术发展迅猛。1990 年以来，全球太阳能光伏发电装置的市场销售量以年平 均 16％的幅度递增，目前总发电能力已达 800MW，相当于 20 万个美国家庭的年耗电量。1997 年全球太阳电池的销售量增长了 40％，已成为全球发展最快的能源。 2.1 影响光电技术应用的问题 当前影响光电池大规模应用的主要障碍是它的制造成本太高。在众多发电技术中，太阳能光电仍是花费最高的一种形式， 因此，发展阳光发电技术的主要目标是通过改进现有的制造工艺，设计新的电池结构，开发新颖电池材料等方式降低制造成本， 提高光电转换效率。近年来，光伏工业呈现稳定发展的趋势，发展的特点是产量增加，转换效率提高，成本降低，应用领域 不断扩大。1998 年，世界太阳电池年产量已超过 150MW，是 1994 年产量的两倍还多。单晶硅太阳电池的平均效率为 15％，实 验室效率已达 24.4％；多晶硅太阳电池效率也达 14％，最大效率为 19.8％；非晶硅太阳电池的稳定效率，单结 6～9％，实验室 最高效率为 12％，多结电池为 8～10，实验室最高效率为 11.83。 最近，瑞士联邦工学院 M格雷策尔研制出一种二氧化钛太阳能电池，其光电转换率高达 33％，并成功地采用了一种无定形 有机材料代替电解液，从而使它的成本比一块差不多大的玻璃贵不了多少，使用起来也更加简便。可以预料，随着技术的进步 和市场的拓展，光电池成本将会大幅下降。可以得出，在 2010 年以后，由于太阳能电池成本的下降，可望使光伏技术进入大规 模发展时期。 2.2 光伏新技术的开发 近年来，围绕光电池材料、转换效率和稳定性等问题，光伏技术发展迅速。晶体硅太阳能电池的研究重点是高效率单晶硅 电池和低成本多晶硅电池。限制单晶硅太阳电池转换效率的主要技术障碍有电池表面栅线遮光影响；表面光反射损失；光传 导损失；内部复合损失；表面复合损失。 针对这些问题，近年来开发了许多新技术，主要有单双层减反射膜；激光刻槽埋藏栅线技术；绒面技术；背点接触电极克服 表面栅线遮光问题；高效背反射器技术；光吸收技术。随着这些新技术的应用，发明了不少新的电池种类，极大地提高了太阳 能电池的转换效率，如采用激光刻槽埋藏栅线等新技术将高纯化晶体硅太阳能电池的转换效率提高到 24.4％。 光伏技术发展的另一特点是薄膜太阳能电池研究取得重大进展，各种新型太阳能电池的不断涌现。晶体硅太阳能电池转换 效率虽高，但其成本难以大幅度下降，而薄膜太阳能电池在降低制造成本上有着非常广阔的诱人前景。早在几年前，利用多层 薄膜结构的低质硅材料已使太阳能电池成本骤降 80％，有望 1O 年内使该项技术商业化。 高效新型太阳能电池技术的发展是降低光电池成本的另一条切实可行的途径，近年来，一些新型高效电池不断问世 硒化铜钢CUINSE2，CIS薄膜太阳能电池1974 年 CIS 电池在美国问世，1993 年美国国家可再生能源实验室使它的本征 转换效率达 16.7％，由于 CIS 太阳能电池具有成本低膜厚只有单晶硅的 1／100、可通过增大禁带宽度提高转换效率 理论值为 单晶 30％，多晶 24％、没有光致衰降、抗放射性能好等优点，各国都在争相研究开发，并积极探索大面积应用的批量生产技术。 硅-硅串联结构太阳能电池通过非晶硅与窄禁带材料的层叠，是有效利用长波太阳光，提高非晶硅太阳能电池转换效率的 良好途径。它具有成 本低、耗能少、工序少、价廉高效等优点。 用化学束外延CBE技术生产的多结 III-V 族化合物太阳能电池III-V 族化合物如 GAAS，INP具有较高的光电转换效率， 这些材料的多层匹配可将太阳能电池转换效率提高到 35％以上。而这种多层结构很容易用 CBE 法制作，并能降低成本获得超高 效率。 大面积光伏纳米电池1991 年瑞士 M．GRATZEL 博士领导的研究小组，用纳米 TIO2 粉水溶液作涂料，和含有过渡族金 属有机物的多种染料及玻璃等材料制作出微晶颜料敏感太阳能电池，简称纳米电池。计算表明，可制造出转换效率至少为 12％ 的低成本电池。这种电池为大面积应用于建筑物外表面提供了广阔的前景。 3.太阳电池的发展现状 太阳电池的进展情况可以从其性能指标、产量、价格等方面来评价。太阳电池的性能指标有开路电压、短路电流、填充因 子、光电转换效率等多顶，其中最主要的指标是光电转换效率，即将光能转变为电能的效率。 太阳电池主要可以分为硅太阳电池和化合物半导体太阳电池两大类。下面分别加以叙述。 3.1 硅太阳电池 硅是地球上第二位最丰富的元素，而且无毒性，用它制作的太阳电池效率也很高，因此它是最适于制作太阳电池的半导体 材料。1997 年，世界上太阳电池年产量约为 120MW，其中 99以上为硅太阳电池。在硅太阳电池中又可分为单晶硅、多晶硅 和非晶硅太阳电池三类。 1.单晶硅和多晶硅太阳电池 单晶硅和多晶硅太阳电池是对 P 型（或 n 型）硅基片经过磷（或硼）扩散做成 P/N 结而制得的。单晶硅太阳电池效率高、 寿命长、性能优良，但成本高，而且限于单晶的尺寸，单片电池面积难以做得很大，目前比较大的为直径为 10～20cm 的圆 片．多晶硅电池是用浇铸的多晶硅锭切片制作而成，成本比单晶硅电池低，单片电池也可以做得比较大（例如 30cm30cm 的方 片） ，但由于晶界复合等因素的存在，效率比单晶硅电池低。 现在，单晶硅和多晶硅电池的研究工作主要集中在以下几个方面 1 用埋层电极、表面钝化、密栅工艺优化背电场及接触电极等来减少光生载流子的复合损失，提高载流子的收集效率，从 而提高太阳电池的效率。澳大利亚亲南威尔士大学格林实验室采用了这些方法，已经创造了目前硅太阳电池世界公认的 AM1.5 条件下 24的最高效率。 2用优华抗射膜、凹凸表面、高反向背电极等方式减少光的反射及透射损失，以提高太阳电池效率。 3 以定向凝固法生长的铸造多晶硅锭代替单晶硅，估化正背电极的银浆、铝浆的丝网印制工艺，改进硅片的切、磨、抛光 等工艺，千方百计降低成本，提高太阳电池效率。目前最大硅锭重量已达 270 余公斤。 4薄膜多晶硅电池还在大力研究和开发。计算表明，若能在金属、陶瓷、玻璃等基板上低成本地制备厚度为 30～50μm 的 大面积的优质多晶硅薄膜，则太阳电池制作工艺可进一步简化，成本可大幅度降低。因此多晶硅薄膜太阳电池正成为研究热点。 现在单晶及多晶硅太阳电池的世界年产量已达到 120MW 左右。硅太阳电池的最高效率可达 18～24。航空航天用的高质 量太阳电池在 AMO 条件下的效率约为 13.5～18,而地面用的大量生产的太阳电池效率在 AM1 条件下大多在 11～18左右。 2.非晶硅太阳电池 由于非晶硅对太阳光的吸收系数大，因而非昌硅太阳电池可以做得很薄，通常硅膜厚度仅为 1-2μm，是单晶硅或多晶硅电 池厚度（0.5mm 左右）的 1/500，所以制作非晶硅电池资源消耗少。 非晶硅太阳电池一般是用高频辉光放电等方法使硅烷（SiH4）气体分解沉积而成的。由于分解沉积温度低（ 200℃左右） ，因此 制作时能量消耗少，成本比较低，且这种方法适于大规模生产，单片电池面积可以做得很大（例如 0.5mX1.0m） ，整齐美观。非 晶硅电池的另一特点是对蓝光响应好，在一般地荧光灯下也能工作，因此被广泛用作电子计算器和手掌电脑的电源，估计全世 界使用量达到每月 1 千万片左右。以上这些优点，使非晶硅太阳电池在近 10 余年来得到大踏步的发展，1997 年全世界的产量估 计已达到 30MW 以上。 非晶硅由于其内部结构的不稳定性和大量氢原子的存，具有光疲劳效应（Staebler Wronski 效应） ，故非晶硅太阳电池经过长 期稳定性存在问题。近 10 年来经努力研究，虽有所改善，但尚未彻底解决问题，故作为电力电源，尚未大量推广。 非晶硅中由于原子排列缺少结晶硅中的规则性，缺陷多。因此单纯的非晶硅 p/n 结中，隧道电流往往占主导地位，使其呈现 电阴特性，而无整流特性，也就不能制作太阳电池。为得到好的二极管整流特性，一定要在 p 层与 n 层之间加入较厚的本征层 i，以扼制其隧道电流，所以非晶硅太阳电池一般具有 pin 结构。为了提高 效率和改善稳定性，有时还制作成 pin/pin/pin 等多层结构式的叠层电池，或是插入一些过渡层。 非晶硅太阳电池的研究，现在主要着重于改善非晶硅膜本身性质，以减少缺陷密度，精确设计电池结构和控制各层厚度， 改善各层之间的界面状态，以求得高效率和高稳定性。 目前非晶硅单结电池的最高效率已可达到 14.6左右，大量生产的可达到 8～10左右。叠层电池的最高效率可达到 21.0。 3.2 化合物半导体太阳电池 在化合物半导体太阳电池中，目前研究应用较多的有 CaAs、InP 、CuInSe2 和 CdTe 太阳电池。由于化合物半导体或多或少 有毒性，容易造成环境污染，因此产量少，常常使用在一些特殊场合。 1.砷化钾太阳电池 砷化钾（GaAs）太阳电池可以得到较高的效率，实验室最高效率已达到 24以上，一般航天用的太阳电池效率也在 18～19.5之间。砷化钾太阳电池目前大多用液相外延方法或金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术制备，因此成本高、产 量受到限制，降低成本和提高生产效率已成为研究重点。砷化钾太阳电池目前主要用在航天器上。 现在，硅单晶片制备技术成熟，成本低，因此以硅片为衬底，以 MOCVD 技术用异质外延方法制造 GaAs 太阳电池降低 GaAs 太阳电池成本的很有希望的办法。目前，这种电池的效率也已达到 20以上。但 GaAs 和 Si 晶体的晶格常数相关较大，在 进行导质外延生长时，外延层晶格失配严重，难以获得优质外延层。 为此常 Si 衬底上首先生长一层晶格常数与 GaAs 相差较少 的 Ge 晶体作为过渡层，然后再生长 GaAs 外延层，这种 Si/Ge/GaAs 结构的异质外延电池正在不断发展中。控制各层厚度，适当 变化结构，可使太阳光中各种波长的光子能量都得到有效利用，目前以 GaAs 为基的多层结构太阳电池的效率已接近 40。 2.磷化铟太阳电池磷化铟太阳电池具有特别好的抗辐照性能，因此在航天应用方面受到重视，目前这种电池的效率也已达 到 17～19。 3.CuInSe2 多晶薄膜太阳电池这种电池的效率也达到 17.6左右，而且性能稳定，作为多晶薄膜电池是很有发展前途的。但 因成分较复杂，制作工艺重复性差，影响了它的发展。 此外，Cds/CdTe 太阳电池的效率也已达到 15.8，但这种电池毒性大，易造成对环境的污染。 4.太阳电池的应用 通信卫星通常采用太阳电池方阵给各系统供电，并为蓄电池充电，在星食期间，蓄电池给卫星供电。过去，太阳电池方阵 广泛采用硅光电池。目前较先进的硅光电池转换效率可达 15％，但这种电池已不能满足大型平台的要求，现在正在发展和使用 砷化钾太阳电池。目前单结砷化钾太阳电池转换效率一般达 18％，双结砷化钾太阳电池可达 21－23％。这种电池不仅效率高， 而且耐高温，耐空间辐射。现在正在研制多结砷化钾太阳电池，其转换效率可望达到 30％以上。为了再进一步提高太阳电池方 阵的效率，现在正研究使用太阳能聚光板，以提高太阳能量，使太阳常数提高到 1 以上。过去通信卫星蓄电池普遍采用镍镉电 池，随着卫星功率不断增加，现正发展使用镍氢电池。镍氢电池比镍镉电池放电深度深，比容量大。 为使“深空 1 号”星际探测器成为现实，美国空军研究实验室提出 6 项关键技术，它们是 1.轻型太阳电池方阵。未来的太阳帆板采用复合结构，连接各部分的电缆线将被淘汰，太阳帆板采用塑性铰接。使用薄膜太 阳电池，每公斤重量供能 116 瓦，而现有系统为 40－50 瓦。多结薄膜光电池使电池太阳方阵在轨道上易于展开。轻型“智能”结 构可自动消除振动和热效应。 2.柔性集成供电和信号系统。通过真空镀膜技术，使薄膜蓄电池组和柔性电池部件与阻挡层光电池连接，形成多层卫星总线。 柔性电池组安装在其它子系统周围。 3.多功能结构。 4.超高密度电路。 5.微机电系统。 6.轻型大光学系统。 美国 1998 年 10 月 24 日发射了“深空 1 号”星际探测器。采用集光器型太阳电池进行试验。这种太阳电池方阵实际只有 13％ 的面积被覆以太阳电池片，另外还带有 720 面菲列尔透镜，利用线性排列的菲列尔透镜把所有阳光都聚集到这些电池上。由于 电池少，而透镜又比玻璃罩的电池轻，所以太阳电池方阵的重量减轻了，价格也变便宜了。 “深空 1 号”2.6 千瓦的太阳电池方阵 有 4 块帆板，大小为 1.1mx1.6m，总重 58 公斤。为增强辐射防护能力，电池区上的玻璃罩可做得厚一些。太阳电池本身有两种， 它们叠在一起，可在 0.4μm～0.85μm 的宽频谱范围内进行能量转换，预计效率在 22％以上。这种太阳电池方阵的缺点是指向稍 有一点点误差，能力就会大大降低。 5.太阳能开发利用的发展趋势 人类利用太阳能已有几千年的历史， 但发展一直很缓慢，现代意义上的开发利用只是近半个世纪的事情。1954 年，美国贝尔实验室研制出世界上第一块太阳电池， 从此揭开了太阳能开发利用的新篇章，之后，太阳能开发利用技术发展很快，特别是 70 年代爆发的世界性的石油危机有力地促 进了太阳能的开发利用。随着可持续发展战略在世界范围内的实施，太阳能的开发利用又被推到新高度。 21 世纪初至中叶将是 太阳能开发利用技术的重要发展时期。世界范围内的能源问题、环境问题的最终解决将依靠可再生洁净能源特别是太阳能的开 发利用。 光伏技术的发展，近期将以高效晶体硅电池为主，然后逐步过渡到薄膜太阳能电池和各种新型太阳电池的发展。如前所述， 晶体硅太阳电池具有转换效率高、性能稳定、商业化程度高等优点，但也存在硅材料紧缺、制造成本高等问题。而薄膜太阳能 电池以及各种新硅太阳能电池都具有生产材料廉价、生产成本低等特点，随着研发投入的加大，必将促使其中一、二种获得突 破，正如专家断言，只要有一、二种新型电池取得突破，就会使光电池局面得到极大的改善。 随着光电化学及光伏技术和各种半导体电极试验的发展，使得太阳能制氢成为氢能产业的最佳选择。20 世纪 90 年代在太阳 能制氢方面获得了较大进展， 1990 年德国建成一座 500KW 太阳能制氢示范厂，沙特阿拉伯已建成发电能力为 350KW 的太阳能 制氢厂。印度于 1995 年推出了一项制氢计划，投资 4800 万美元，在每年有 300 个晴天的塔尔沙漠中建造一座 500KW 太阳能电 站制氢，用光伏电解系统制得的氢，以金属氢化物的形式贮存起来，保证运输的安全。氢能具有重量轻、热值高、爆发力强、 品质纯净、贮存便捷等许多优点。随着太阳能制氢技术的发展。用氢能取代碳氢化合物能源将是 21 世纪的一个重要发展趋势。 随着世界范围内的环境意识和节能意识的普遍提高，太阳能热利用领域将得到最大限度的扩展，其普及程度将会有较大的 提高。随着太阳能热水器性能的改善，太阳能热水器将逐步取代电热水器和燃气热水器。与此同时，光伏技术将逐步由农村、 偏远地区以及其它特殊应用场合向城市推进，伴随着更多国家屋顶计划的实施，光伏发电将走进城市的千家万户。 随着人类航天技术以及微波输电技术的进一步发展，空间太阳能电站的设想可望得到实现。由于空间太阳能电站不受天气、 气候条件的制约，其发展显示出美好的前景，是人类大规模利用太阳能的另一条有效途径。 无机太阳能光电转换的材料 用于光电化学太阳能电池中半导体电极研究的材料包括有Si、Ⅱ～Ⅵ族化合物 CdX （XS、Se、Te）、Ⅲ～Ⅴ族化合物 （GaAs、InP）、二硫族层状化合物（MoS2、FeS2）、三元化合物（CuInSe2、CuInS2、AgInSe2）及氧化物半导体 （ TiO2、 ZnO、Fe2O3）等，其中窄禁带半导体（Eg ≤2.0eV）可获得较高的光电转换效率，但存在光腐蚀现象；宽禁带半导体 （Eg≥3.0eV）有良好的稳定性，但对太阳能的吸收率低。因此大量的研究工作都是围绕提高光电效率和稳定性进行的。 Ⅱ～ Ⅵ族化合物半导体 CdX（ XS、Se、Te）是光电化学研究较为普遍的光电极材料， 其主要优点是可用多种方法如粉末 压片法、涂敷法、真空沉积、化学气相沉积、电沉积、化学溶液沉积以及喷涂