太阳能电池板和太阳能涂料的应用与改进

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1、一、前言（一）、研究背景、原因当今世界，能源危机已成每个国家所要面对的重点问题。伴随着国家日益发展的经济，工业，农业需要的煤炭、石油、天然气这三大基础矿物能源却正在逐渐枯竭。发展新能源的任务迫在眉睫，因而以风能，潮汐能，核能，地热能，太阳能为代表的新能源逐渐引起了人们的关注，其中就有一种真正在数亿年内“取之不尽，用之不竭”的能源，这就是太阳能。太阳能不仅是可再生能源，它还是减少环境污染和二氧化碳排放的最佳“能”选。图为太阳能路灯，太阳能已经在一些地方投入应用了。（二）、研究目的及方向了解并研究各种太阳能电

2、池及涂料的性质，并分析其应用的改进方式（物理方面）及使用的具体环境，得出结论。其中，老牌的太阳能电池板和新生的太阳能涂料是我们课题小组着重关注的方向。二、正文（一）.原理与资料1.太阳能发电简介太阳能是指太阳光的辐射能量，太阳光中包含红外线、可见光和紫外线，三者所具有的能量各为不同，但都可以被我们所利用。太阳能发电就是指将太阳光所具有的辐射能通过一定的媒介转化成为电能的过程。现在应用相对广泛的是用硅半导体太阳能电池（主要有单晶硅、多晶硅、非晶硅、多结电池等）将太阳辐射能转化为电池两极的电位差。其过程可简述

3、如下：1.在Si中掺杂氮族元素（如P等）可得到N型硅（即过去常说的N型半导体，其原理相同。下同），掺杂硼族元素可得到P型硅。原理：是由于Si是碳族元素，最外层4电子，而氮族元素最外层5电子，导致两者结合稳定的同时会产生自由电子。同理，由于硼族元素最外层3电子，所以它们结合时会产生电子空位。2.将N型半导体和P型半导体相接合成为P-N结，再在两侧接上电极，便得到一个太阳能电池。原理：由于N型半导体和P型半导体中自由电子处于未激发态，当其受太阳辐射激发时，便形成了向电子空位运动的趋势，从而形成电位差（即电压）

4、。将两极相连即产生电流。（图片来源：维基百科）其中N型半导体是负极，P型半导体是正极。2.太阳能涂料简介太阳能涂料是建立在塑料感光性上的另一种新型太阳能发电技术，它依靠这种高分子材料与C60分子的混合来达到光伏转化的目的。简单地说，就是塑料感光后产生的电子通过C60来传输之另一侧的电极，形成回路。（具体实施与制作相对复杂，在此不作讨论和研究）3．太阳能电池板性能和应用在太阳能电池中，单晶硅电池和多结电池是光电转换效率最高的。单晶硅电池是传统太阳能电池中的佼佼者，目前达到的最高效率为25%-30%。而多结电

5、池则是后来居上，它通过吸收阳光中多段波长的能量而“最大限度地回收太阳赐予的能量”。其发电效率达到了约40%。但这两种太阳能电池板均有其弱点：多结电池的制作工程量大，成本较高（目前为7-8美元/瓦）；而单晶硅的弱点则是其工艺的复杂。目前只有多晶硅太阳能电池因其低成本而被批量生产并大量投入使用，而其他种类的太阳能电池板则仍然处于走向市场的过程中。各种太阳能电池的比较，仅有多晶硅大量投入使用。4.太阳能涂料性能和应用太阳能涂料正处于前期发展阶段,但其前景十分乐观。原其因是：1.太阳能涂料只是一种塑料和碳的混合物

6、，而不是价格不菲的硅,且现在世界上的硅产量已供不应求，。2.太阳能涂料适应性强，它能被涂抹到任何表面上，包括屋顶、墙壁、窗户，这淡化了它较低的光电转化率。3.太阳能涂料的特殊优点：它能使各种能源消耗少的小型用电器（如GSM电话、MP3等），将它们的外壳涂上太阳能涂料后，它们的电量就会常用常满（只是在白天）。太阳能涂料不需要成本高昂的硅，是现在极具发展潜力的一种利用太阳能的方法。Ⅱ.讨论与研究1.用物理方法改进太阳能电池板效率关于在物理方面对太阳能电池板和太阳能涂料的改进，我们查阅了关于常规太阳能电池在聚光

7、和冷却下的特性（参见论文《聚光与冷却条件下常规太阳能电池的特性》），了解到通过在外部做一些光学的调整可使太阳能电池板达到更高的单位太阳能电池板面积的发电效率，但同时高温又会导致太阳能电池板的转换效率降低（论文中的实验所使用的太阳能电池板的最佳工作温度为25-30℃，在温度未超过60℃时不会造成过多的效率降低）。因此我们认为可以通过聚焦阳光的同时加入一定的散热系统或者搭配上热转化器（如太阳能热电厂或者太阳能热水器）可以提高光能的转化效率。另外，我们还讨论了其他的增效办法，连同上述的方法，一并总结如下：1.用

8、防水长焦凸透镜微聚光。2.用短焦防水凸透镜大量大幅聚光，并进行热能转化（热水器或热电站）,但需要较大的空间。3.用多结电池进行第2项的操作，但成本会升高，且一些无法被折射的辐射和波会无法吸收。4.用机械自动调整太阳能电池板的朝向，使太阳能电池板始终受太阳直射，减少镜面反射所导致的能量损失，但机械的控制所需能量可能会大于所多转化的电能。2.关于太阳能电池板和太阳能涂料应用的讨论太阳能电池的常规应用已在前文中提到，但现有的太阳能发