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1．2 多晶硅薄膜太阳能电池 通常的晶体硅太阳能电池是在厚度350～450μm的高质量硅片上制成的，这种硅片从提拉或浇铸的硅锭

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友联蓄电池上锯割而成。因此实际消耗的硅材料更多。为了节省材料，人们从70年代中期就开始在廉价衬底上沉积多晶硅薄膜，但由于生长的

硅膜晶粒大小，未能制成有价值的太阳能电池。为了获得大尺寸晶粒的薄膜，人们一直没有停止过研究，并提出了很多方法。目前

制备多晶硅薄膜电池多采用化学气相沉积法，包括低压化学气相沉积（LPCVD）和等离子增强化学气相沉积（PECVD）工艺。此外，

液相外延法（LPPE）和溅射沉积法也可用来制备多晶硅薄膜电池。 化学气相沉积主要是以SiH2Cl2、SiHCl3、Sicl4或SiH4，为反应

气体，在一定的保护气氛下反应生成硅原子并沉积在加热的衬底上，衬底材料一般选用Si、SiO2、Si3N4等。但研究发现，在非硅衬

底上很难形成较大的晶粒，并且容易在晶粒间形成空隙。解决这一问题办法是先用 LPCVD在衬底上沉炽一层较薄的非晶硅层，再将

这层非晶硅层退火，得到较大的晶粒，然后再在这层籽晶上沉积厚的多晶硅薄膜，因此，再结晶技术无疑是很重要的一个环节，目

前采用的技术主要有固相结晶法和中区熔再结晶法。多晶硅薄膜电池除采用了再结晶工艺外，另外采用了几乎所有制备单晶硅太阳

能电池的技术，这样制得的太阳能电池转换效率明显提高。德国费莱堡太阳能研究所采用区馆再结晶技术在FZ Si衬底上制得的多晶

硅电池转换效率为19％，日本三菱公司用该法制备电池，效率达16.42%。 液相外延（LPE）法的原理是通过将硅熔融在母体里，降

低温度析出硅膜。美国Astropower公司采用LPE制备的电池效率达12．2％。中国光电发展技术中心的陈哲良采用液相外延法在冶金

级硅片上生长出硅晶粒，并设计了一种类似于晶体硅薄膜太阳能电池的新型太阳能电池，称之为“硅粒”太阳能电池，但有关性能

方面的报道还未见到。 多晶硅薄膜电池由于所使用的硅远较单晶硅少，又无效率衰退问题，并且有可能在廉价衬底材料上制备，其

成本远低于单晶硅电池，而效率高于非晶硅薄膜电池，因此，多晶硅薄膜电池不久将会在太阳能电地市场上占据主导地位。

1.3 非晶硅薄膜太阳能电池 开发太阳能电池的两个关键问题就是：提高转换效率和 降低成本。由于非晶硅薄膜太阳能电池的

成本低，便于大规模生产，普遍受到人们的重视并得到迅速发展，其实早在70年代初，Carlson等就已经开始了对非晶硅电池的研制

工作，近几年它的研制工作得到了迅速发展，目前世界上己有许多家公司在生产该种电池产品。 非晶硅作为太阳能材料尽管是一种

很好的电池材料，但由于其光学带隙为1.7eV， 使得材料本身对太阳辐射光谱的长波区域不敏感，这样一来就限制了非晶硅太阳能

电池的转换效率。此外，其光电效率会随着光照时间的延续而衰减，即所谓的光致衰退S一W效应，使得电池性能不稳定。解决这些

问题的这径就是制备叠层太阳能电池，叠层太阳能电池是由在制备的p、i、n层单结太阳能电池上再沉积一个或多个P-i-n子电池制

得的。叠层太阳能电池提高转换效率、解决单结电池不稳定性的关键问题在于：①它把不同禁带宽度的材科组台在一起，提高了光

谱的响应范围；②顶电池的i层较薄，光照产生的电场强度变化不大，保证i层中的光生载流子抽出；③底电池产生的载流子约为单

电池的一半，光致衰退效应减小；④叠层太阳能电池各子电池是串联在一起的。 非晶硅薄膜太阳能电池的制备方法有很多，其中包

括反应溅射法、PECVD法、LPCVD法等，反应原料气体为H2稀释的SiH4，衬底主要为玻璃及不锈钢片，制成的非晶硅薄膜经过不同的

电池工艺过程可分别制得单结电池和叠层太阳能电池。目前非晶硅太阳能电池的研究取得两大进展：第一、三叠层结构非晶硅太阳

能电池转换效率达到13％，创下新的记录；第二。三叠层太阳能电池年生产能力达5MW。美国联合太阳能公司（VSSC）制得的单结太

阳能电池最高转换效率为9．3%，三带隙三叠层电池最高转换效率为13％，见表1 上述最高转换效率是在小面积（0．25cm2）电池上

取得的。曾有文献报道单结非晶硅太阳能电池转换效率超过12．5％，日本中央研究院采用一系列新措施，制得的非晶硅电池的转换

效率为13．2％。国内关于非晶硅薄膜电池特别是叠层太阳能电池的研究并不多，南开大学的耿新华等采用工业用材料，以铝背电极

制备出面积为20X20cm2、转换效率为8．28％的a－Si/a－Si叠层太阳能电池。 非晶硅太阳能电池由于具有较高的转换效率和较低的

成本及重量轻等特点，有着极大的潜力。但同时由于它的稳定性不高，直接影响了它的实际应用。如果能进一步解决稳定性问题及

提高转换率问题，那么，非晶硅大阳能电池无疑是太阳能电池的主要发展产品之一。

众所周知，VRLA电池(阀控式密封铅酸蓄电池)也是铅酸蓄电池，既然是铅酸蓄电池，它就应该有着与开口式铅酸电池同样的工作原理。这就是说VBLA电池实现能量转换和能量储存的载体与开口式的是一样的，其参加电化学反应的物质也是一样的，都是在充电时，正极由硫酸铅(PbSO4)转化为二氧化铅(Pb02)后将电能转化为化学能储存在正极板中;负极由硫酸铅(PbSO4)转化为海绵状铅(海绵状Pb)后将电能转化为化学能储存在负极板中。在放电时，正极由二氧化铅(PbO2)变成硫酸铅(PbSO4)而将化学能转换成电能向负载供电，负极由海绵状铅(海绵状Pb)变成硫酸铅(PbSO4)而将化学能转换成电能向负载供电。当然，肯定是要由正极和负极同时以同当量同状态下(如充电或放电态)进行电化学反应才能实现上述充电或放电过程的，任何时候任何情况下都不可能由正极单独或由负极单独来完成上述电化学反应的。由此可知，如果一只电池中正极板是好的，而负极板坏了的话，那就等于这只电池变成了报废电池了。同样，如果一只电池中的负极板是好的，而正极板坏了的话，这只电池也只能是一只报废电池了。除此之外，正极板中可以参加能量转换的物质量(活性物质的量)与负极板中可以参加能量转换的物质量(活性物质的量)要互相匹配。如果不匹配，一个多，一个少的话，那个多出来的部分是一种浪费，而且每一种参加电化学反应的物质与另一物质相匹配的量都是不同的，科学家们把每一种物质可将一个安培小时的电量(1从)转化为化学能储存起来的该物质的这个量叫做电化当量(即电能与化学能相互转换的相当物质的量)。每一种活性物质的电化当量都是由其电化反应方程式中计算出来的。以上所说的铅酸蓄电池工作原理的全部内容(包括电化当量)可以用如下电化学反应方程式来表示：PbO2+Pb+2H2S04←→2PBS04+2H20

当上述电化学反应式由左向右进行时，是电池的放电反应。当上述电化学反应式由右向左进行时，是电池的充电反应。

从该电化学反应式中可以看出，在电池放电时，正极必须有1个克分子量的二氧化铅，负极必须有1个克分子量的海绵状铅，同时还应有2个克分子量的硫酸参与这个放电过程才能顺利进行。利用法拉弟定律中的法拉弟常数，通过上述电化学反应方程式，经过计算后得知：二氧化铅的电化当量为41.46g/从，海绵状铅的电化当量为33.87s/Ah。这就是说：要使VRLA电池放出一个安培小时的电量来，正极必须有41.46g的二氧化铅活性物质，同时负极必须有33.87g海绵状铅活性物质在足够量的硫酸存在下才能如愿。要使VRLA电池放出100Ah的电量来，正极必须有4146g二氧化铅，负极要有3387g海绵状铅才能实现。这就从原理上说明了电池的电容量为什么会是由活性物质量的多少来决定的道理。这也是用户在购买电池时，为什么说重量大的电池比重量小的电池其质量好的根本原因所在。当然，这里列出的电化当量只是一个理论值。VRLA电池除了有着与开口铅酸蓄电池的电化学反应方式一样的相同工作原理外，它还有着与开口铅酸蓄电池所不一样的工作原理，那就是阴极吸收原理，所谓阴极吸收原理指的是电池在充电时，特别是在充电末期，正极会产生氧气，由于VRLA电池是全密封的，产生的气体不会象开口电池那样随时都可以通过开口而散发到电池体外去，产生的气体会在电池槽内积聚。随着电池内部积聚的气体量的不断增多，电池内部的压力逐渐上升。正因为电池内部存在着一定的内压，正极产生的氧气会跑到负极上。由于正极上生成的是氧原子，而氧原子又具有很强的氧化性，这种具有强氧化能力的氧原子跑到负极后，会将负极在充电时刚生成的也具有很大活性的海绵状铅氧化而生成氧化铅，氧化铅继而与硫酸反应生成硫酸铅和水，硫酸铅正好又是负极放电的产物，硫酸铅在充电时又生成海绵状铅，海绵状铅再吸收正极产生的氧而生成氧化铅，这样周而复始的反复进行着这一反应，正极上产生的氧都被负极吸收了，再怎么充电也不会有氧气生成，电池内部压力不会继续上升，更用不着担心电池会发生爆炸了。为了防止在特殊情况下电池内部由于气体的聚积而增大内部压力引起电池爆炸，在设计时，又特地在电池的上盖中设置了一个安全阀，当电池内部压力达到一定值时，安全阀会自动开启，释放一定量气体降低内压后，安全阀又会自动关闭。以上所述，就是ⅧIA电池的阴极吸收原理。正因为发现和发明了这种电池的阴极吸收原理，才可以把开口式铅酸蓄电池做成全密封的，VRLA电池才得以问世。

当然，要使VRLA电池的阴极吸收原理得以维持，第一个先决条件就是电池必须是密封的，不是密封的，电池内部不存在一定的内压，正极生成的氧就不可能跑到负极被负极吸收，氧气就会跑出去，跑掉了氧就等于是电池内部的水跑掉了，电池失水了，就应补水，需要补水也就不称之为VRLA电池了，那就变成开口电池了。由此可见，VRLA电池密封性能的好坏是一个很关键的技术指标，用户在挑选电池时应高度重视这一问题，哪怕是稍微有一点漏气或渗液，也会直接影响到电池的使用寿命。电池组中如果出现一块这样的电池，会因这块电池首先变成落后电池而影响整个电池组的综合性能，也会引起电池组中各电池电压的不均衡而形成恶性循环。邮电部YD/T799标准中为何要规定电池的气体复合率在95%以上，其原因就在于此。

当然，要使VRLA电池的阴极吸收得以很好的进行，要保证它的气体复合率高，产生的气体基本上都生成水又回到电池内，除了气密性是一个很重要的问题外，还应考虑与之配套的措施是否得力。例如：在结构上，VRLA电池必须是贫液式的，要留出足够的空间和通道让正极产生的氧能迅速而又顺畅的跑到负极而被负极吸收，这也是VRLA电池为什么没有多余电解液的原因所在。又如：采用的超细玻璃纤维隔板应该有足够大的孔率，以保证正极产生的氧能通过隔板的小孑L跑到负极被吸收。因此，VBLA电池所用隔板的质量好坏也是一个至关重要的问题。

尽管电动汽车是零排放，但废电池对环境的污染是致命的，希望汽车生产厂用环保的方式处理这些废电池。”北京理工大学教授吴锋接受相关媒体时表示：“1个20克的手机电池可污染3个标准游泳池容积的水，若废弃在土地上，可使1平方公里土地污染50年左右。试想，如果是几吨重的电动汽车动力电池废弃在自然环境中呢?大量重金属及化学物质进入大自然，将会对环境造成更大的污染。”

中国汽车技术研究中心预测，到2020年，我国电动汽车动力电池累计报废量将达到12万-17万吨的规模。如果没有规范的电池回收体系，这些电池无疑将对环境产生巨大危害。

回收体系有待完善

目前，电动汽车正处于市场推广阶段，并没有大范围应用，电动汽车动力电池尚未出现大规模报废的情况，所以我国尚未建立完整的车用动力电池回收利用体系。

“从目前来看，包括国家电网下属的北京、浙江公司，都在致力于动力电池的余能研究，投入资金上马梯次利用研究项目，但是进展相对缓慢。”OFweek行业研究中心新能源分析师孙栋栋表示。

技术层面之外，要推动梯次回收利用，显然还有产业链的难题待解。在孙栋栋看来，由于我国新能源汽车产业链条中各自为政的态势，单靠车企、电池企业或者电池租赁的运营商主动牵头从事动力电池梯次利用的研究都具有较大的难度。

VRLA电池在充电时正极产生的氧因为被负极吸收了，而可以将开口的做成密封电池了，那么负极充电时产生的氢气不是仍然存在吗?电池不是仍然存在着失水和爆炸的危险吗?这一问题科学家们是通过改变负极合金配方，采用新的合金材料(如铅钙合金)，使氢在这种材料上放电(得到电子生成氢气)的电位提高了(叫做提高了氢的过电位)本来充电电压达到某一值时氢离子就要在阴极上放电，生成氢气。由于铅钙合金的采用，充电电压达到原来数值时氢离子不放电了，不生成氢气了。但不管如何改变合金配方，也不管如何提高氢的过电位，当充电电压达到氢离子放电的电位时，氢气总是要生成的。各生产厂家为什么都会给自己的电池规定一个在一定范围内的浮充电压值，其道理就是要控制氢气的产生，防止电池失水。