CN104393057A - 用石墨烯汇流线和汇流条提高输电量的晶体硅太阳能电池 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用石墨烯汇流线和汇流条提高输电量的晶体硅太阳能电池，属于石墨烯太阳能电池应用技术领域。安装在单片晶体硅晶片表面的85根银浆汇流线的表面积加三根宽度为2毫米的铝质窄型汇流条的表面积之和占晶体硅晶片表面积的16%，采用新的制造工艺，用极细的85根石墨烯汇流线和三根宽度为1毫米的带石墨烯芯线的铝质窄型汇流条替换原来的银浆汇流线和铝质窄型汇流条，使汇流线表面积加汇流条表面积之和占晶体硅晶片总面积的比例下降到9%，使太阳光照射晶体硅晶片的面积增加7%，因此产生更大的电流量，同时由于石墨烯比银、铝的导电速度快，加快电子在太阳能电池中的汇流速度，晶体硅太阳能电池的光电转换效率有望提高百分之二。
Description
技术领域
本发明涉及用石墨烯汇流线和汇流条提高输电量的晶体硅太阳能电池，属于石墨烯太阳能电池应用技术领域。
背景技术
在人类社会工业化的过程中，使用了大量的化石能源煤炭和石油，在长时间燃烧大量煤炭和石油的过程中，向空气中排放了大量的二氧化碳、二氧化硫、二氧化氮、污染的颗粒物、污染的细颗粒物，污染了生态环境，影响了人体健康。为了保护生态环境，防治大气污染，人类越来越多地使用非化石能源来推动经济的持续发展，光伏电力是人类成功使用的非化石能源之一，在光伏发电的过程中，不向空气中排放任何污染物。人类已在沙漠中、农用大棚上、屋顶面上建造了许多光伏电站，一些国家的政府制订了财政补贴政策，鼓励发展光伏发电项目。
光伏发电的核心技术主要是太阳光照射到晶体硅太阳能电池内的晶体硅晶片的表面时、内部重新产生的电子或空穴等光生载流子。光生载流子在pn结界面处所具有的內电压作用下发生移动，电子向n型一侧的电极移动，空穴向p型一侧的电极移动，p型呈正极，n型呈负极。太阳能电池的制造人员在长度为156毫米，宽度为156毫米的单片晶体硅晶片的表面上粘附85根宽度为0.2毫米的银浆线和三根宽度为2毫米的铝质窄型汇流条的目的就是将晶体硅晶片中移动的电子流逐步引导到外部电路中，供人类的用电器使用光伏电流。目前单片晶体硅晶片表面上的85根宽度为0.2毫米的银浆汇流线的表面积和三根宽度为2毫米的铝质窄型汇流条的表面积之和占晶体硅晶片表面积的16%，太阳光照射到银浆汇流线和铝质窄型汇流条的表面上是不会发生光伏反应产生电流的。同时，铝质窄型汇流条的导电速度不够快，这些都影响了汇流线和汇流条提高输电量，也限制了进一步提高太阳能电池的光电转换效率。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供用石墨烯汇流线和汇流条提高输电量的晶体硅太阳能电池。
石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的、只有一个碳原子厚度的二维新材料，也是只吸收2.3%的光的、几乎完全透明的新材料。
石墨烯最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速的三百分之一，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。石墨烯的电子迁移率比晶体硅高，其电阻率比银更低。在无锡举办的科技展览会上，本发明人缪同春和无锡格菲电子薄膜科技有限公司的高级工程师一起观看石墨烯透明导电薄膜，了解到石墨烯导电线可以做得十分细小，其宽度可以小到几个微米。这使我想到单个晶体硅太阳能电池内包含有长度为156毫米，宽度为156毫米的单片晶体硅晶片，在晶体硅晶片的上表面上分布有横向、平行、呈栅格状排列的85根宽度为0.2毫米的银浆汇流线，两根平行的银浆汇流线之间的间距为2毫米，银浆汇流线的表面积只占晶体硅晶片总表面积的10%，其余90%的表面积都是晶体硅晶片的表面积。太阳光照射到晶体硅晶片的表面时，其内部重新产生电子或空穴等光生载流子；太阳光照射到银浆汇流线的表面时，其内部不会产生光生载流子。本发明用宽度为2微米的石墨烯汇流线替换宽度为0.2毫米的银浆汇流线，宽度为2微米的石墨烯汇流线在单位时间内的输电量高于宽度为0.2毫米的银浆汇流线，但是，宽度为2微米的石墨烯汇流线的宽度只有宽度为0.2毫米的银浆汇流线的宽度的百分之一，石墨烯汇流线占表面积的比例减少，晶体硅晶片占表面积的比例增加，太阳光照射晶体硅晶片的表面积变大，进行光伏发电的面积增加后、所产生的电流量相应增加，石墨烯汇流线输送的电流量增加，太阳能电池的光电转换效率得到提高。
在晶体硅晶片的表面上，同时分布有竖向平行排列的、三根宽度为2毫米的铝质窄型汇流条，两条平行的铝质窄型汇流条之间的间距为50毫米，太阳光照射到铝质窄型汇流条上不会产生光生载流子。本发明用宽度为1毫米的带石墨烯芯线的铝质窄型汇流条替换宽度为2毫米的铝质窄型汇流条，宽度为1毫米的带石墨烯芯线的铝质窄型汇流条在单位时间内的输电量高于宽度为2毫米的铝质窄型汇流条，但是，宽度为1毫米的带石墨烯芯线的铝质窄型汇流条的宽度只有宽度为2毫米的铝质窄型汇流条的宽度的一半，带石墨烯芯线的铝质窄型汇流条占表面积的比例减少，晶体硅晶片占表面积的比例增加，太阳光照射晶体硅晶片的表面积增加后，进行光伏发电的面积相应增加、所产生的电流量便相应增加，带石墨烯芯线的铝质窄型汇流条输送的电流量增加，太阳能电池的光电转换效率得到提高。
无论是原来的三根铝质窄型汇流条的前段，还是新采用的三根带石墨烯芯线的铝质窄型汇流条的前段都必须伸出晶体硅晶片的前方15毫米，然后用一根宽度为6毫米的铝质宽型汇流条横向连接三根宽度为2毫米的铝质窄型汇流条的前端，并用锡焊固定连接部位。在带石墨烯芯线的铝质窄型汇流条与晶体硅晶片之间的晶体硅晶片的表面上安装宽度为60微米的竖条状的石墨烯引出电极，确保在太阳光的日照射量大、光伏作用产生的电流量大时，晶体硅晶片的表面重新产生的光生载流子能顺利汇流到电极，太阳能电池产生的电流能快速输送出去。安装在晶体硅晶片背面的带石墨烯芯线的背电极能让电子快速流过，如果采用已批量生产的透明的石墨烯导电薄膜也是可行的。
由于采用石墨烯汇流线和带石墨烯芯线的铝质窄型汇流条以后，增加了晶体硅晶片接受太阳光更多照射的表面积，太阳光照射更多的晶体硅晶片的表面积进行光伏发电，能够产生更大的电流量，加上电子在石墨烯汇流线、带石墨烯芯线的铝质窄型汇流条、竖条状的石墨烯引出电极和带石墨烯芯线的背电极中的迁移速度比在原来的银浆汇流线、铝质窄型汇流条、竖条状的引出电极和背电极中的迁移速度快，不仅增加了晶体硅太阳能电池的发电量，而且将晶体硅太阳能电池的光电转换效率提高2%。
本发明人缪同春从2005年到2014年、每年都到上海参加太阳能光伏展览会，目睹单晶硅太阳能电池的光电转换效率从16%逐步提高到20%，多晶硅太阳能电池的光电转换效率从14%逐步提高到18%.无锡尚德太阳能电力有限公司原副总工程师孟昭渊说：‘太阳能电池的光电转换效率每提高百分之一，都是对人类社会作出了大的贡献。’近年来，由于防治大气污染、抗击雾霾需要减少燃煤发电量，增加光伏发电量，许多国家的政府在支持科学家努力提高各种太阳能电池的光电转换效率。
为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
由晶体硅太阳能电池1、晶体硅晶片2、石墨烯汇流线3、带石墨烯芯线的铝质窄型汇流条4、竖条状的石墨烯引出电极5、带石墨烯芯线的背电极6共同组成；
在晶体硅太阳能电池1内包含有晶体硅晶片2，单片晶体硅晶片2的长度为156毫米、宽度为156毫米，在单片晶体硅晶片2的受光面上分布有85条粘贴的、横向的、栅格状的宽度为2微米的石墨烯汇流线3，两条平行的石墨烯汇流线3之间的间距为2毫米，在单片晶体硅晶片2的受光面上焊粘有三条带石墨烯芯线的铝质窄型汇流条4，带石墨烯芯线的铝质窄型汇流条4的宽度为1毫米，两条平行的、竖向的、带石墨烯芯线的铝质窄型汇流条4之间的间距为50毫米，受光面上的三条带石墨烯芯线的铝质窄型汇流条4各伸出晶体硅晶片2的边沿外面15毫米长，用一根宽度为6毫米的、带石墨烯芯线的铝质宽型汇流条焊接并连接三条带石墨烯芯线的铝质窄型汇流条4的前端，在单片晶体硅晶片2的背面露出12个分散的带石墨烯芯线的铝质窄型汇流条4的背面露出部分与带石墨烯芯线的背电极6连接，然后进行层压、封装成为包括有带石墨烯芯线的铝质窄型汇流条4、石墨烯汇流线3的太阳能电池，石墨烯汇流线3、带石墨烯芯线的铝质窄型汇流条4、竖条状的石墨烯引出电极5构成晶体硅太阳能电池的表面电极；
晶体硅晶片2通过石墨烯汇流线3与带石墨烯芯线的铝质窄型汇流条4连接，带石墨烯芯线的铝质窄型汇流条4通过宽度为3毫米的带石墨烯芯线的铝质宽型汇流条与太阳能光伏组件中的铜芯导电线连接。
晶体硅晶片2是单晶硅晶体硅晶片或多晶硅晶体硅晶片。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：①增加了光伏发电量，提高了清洁能源的产量，人们在增加使用太阳能光伏发电量的同时减少使用燃煤发电量，有利于防治大气污染和抗击雾霾。②在提高太阳能电池的光电转换效率的同时，提高了光伏电站的经济效益和社会效益。③使太阳能电池内的晶体硅晶片上的电子加快迁移，增加单位时间内的光伏发电量。④在太阳光的照射下，晶体硅晶片表面上重新产生的光生载流子迅速汇流到电极上，加快对外输送电流供电。⑤提高了太阳能电池的能效，使光伏电站在不增加土地面积的前提下多发电、多供电。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
安装在单片晶体硅晶片表面的85根银浆汇流线的表面积加三根宽度为2毫米的铝质窄型汇流条的表面积之和占晶体硅晶片表面积的16%，采用新的制造工艺，用极细的85根石墨烯汇流线和三根宽度为1毫米的带石墨烯芯线的铝质窄型汇流条替换原来的银浆汇流线和铝质窄型汇流条，使汇流线表面积加汇流条表面积之和占晶体硅晶片总面积的比例下降到9%，使太阳光照射晶体硅晶片的面积增加7%，因此产生更大的电流量，同时由于石墨烯比银、铝的导电速度快，加快电子在太阳能电池中的汇流速度，晶体硅太阳能电池的光电转换效率有望提高百分之二。
下面本发明将结合附图中的实施例作进一步描述：
由晶体硅太阳能电池1、晶体硅晶片2、石墨烯汇流线3、带石墨烯芯线的铝质窄型汇流条4、竖条状的石墨烯引出电极5、带石墨烯芯线的背电极6共同组成；
在晶体硅太阳能电池1内包含有晶体硅晶片2，单片晶体硅晶片2的长度为156毫米、宽度为156毫米，在单片晶体硅晶片2的受光面上分布有85条粘贴的、横向的、栅格状的宽度为2微米的石墨烯汇流线3，两条平行的石墨烯汇流线3之间的间距为2毫米，在单片晶体硅晶片2的受光面上焊粘有三条带石墨烯芯线的铝质窄型汇流条4，带石墨烯芯线的铝质窄型汇流条4的宽度为1毫米，两条平行的、竖向的、带石墨烯芯线的铝质窄型汇流条4之间的间距为50毫米，受光面上的三条带石墨烯芯线的铝质窄型汇流条4各伸出晶体硅晶片2的边沿外面15毫米长，用一根宽度为6毫米的、带石墨烯芯线的铝质宽型汇流条焊接并连接三条带石墨烯芯线的铝质窄型汇流条4的前端，在单片晶体硅晶片2的背面露出12个分散的带石墨烯芯线的铝质窄型汇流条4的背面露出部分与带石墨烯芯线的背电极6连接，然后进行层压、封装成为包括有带石墨烯芯线的铝质窄型汇流条4、石墨烯汇流线3的太阳能电池，石墨烯汇流线3、带石墨烯芯线的铝质窄型汇流条4、竖条状的石墨烯引出电极5构成晶体硅太阳能电池的表面电极；
晶体硅晶片2通过石墨烯汇流线3与带石墨烯芯线的铝质窄型汇流条4连接，带石墨烯芯线的铝质窄型汇流条4通过宽度为3毫米的带石墨烯芯线的铝质宽型汇流条与太阳能光伏组件中的铜芯导电线连接。
晶体硅晶片2是单晶硅晶体硅晶片或多晶硅晶体硅晶片。
2014年11月12日，中美两国在北京公布对气候变化的减排长期计划，中国计划2030年左右二氧化碳排放达到峰值且将努力早日达峰，并计划到2030年非化石能源占一次能源消费比重提高到20%左右。目前，中国不污染环境的可再生能源（包括光伏发电、风力发电等）的消费比重只有1%。本发明着力提高太阳能电池的光电转换效率、增加太阳能光伏发电系统的发电量的目的就是要为中国到2030年非化石能源占一次能源消费比重提高到20%左右贡献一份力量。
2014年12月1日气候变化大会在秘鲁首都利马开幕，联合国的目标是要使本世纪末全球气温上升幅度控制在高于1750年工业化前2摄氏度以内，以免地球继续面对酷暑、严寒、猛烈风暴等极端气候问题。联合国政府间气候变化专门委员会主席帕乔里说：‘要达到这个目标，全球温室气体排放到2050年必须削减至目前水平的40%至70%。’中国、美国和欧洲联盟这三大温室气体排放地区，都拟订为减碳贡献力量的计划。近十年来，中国鼓励加快发展不排放温室气体的光伏发电，新建了许多光伏电站。
本发明中，在制造太阳能电池的过程中采用新的工艺，在晶体硅晶片的表面上原来粘贴银浆汇流线的位置上换用石墨烯汇流线，在晶体硅晶片的表面上原来粘贴铝质窄型汇流条的位置上换用带石墨烯芯线的铝质窄型汇流条。85根横向的银浆汇流线的宽度分别为0.2毫米，也就是200微米，两条平行的银浆汇流线之间的间距为2毫米，间距中是晶体硅晶片的外露表面，太阳光照射间距中的晶体硅晶片的表面会产生电流，太阳光照射银浆汇流线的表面不会产生电流，用肉眼可以看清楚白色的银浆汇流线，银浆汇流线的外露表面积占10%，两条银浆汇流线之间的晶体硅晶片的外露表面积占90%，太阳光照射到晶体硅晶片的表面上时，表面积占90%的晶体硅晶片的部分、能够发电，表面积占10%的银浆汇流线的部分、不能够发电。极细的石墨烯汇流线的宽度只有2微米，用肉眼是看不清楚的。只有借助高倍放大镜才能看到，宽度为2微米的石墨烯汇流线的导电速度比宽度为200微米的银浆汇流线的导电速度更快，一根石墨烯汇流线只占晶体硅晶片上原来的银浆汇流线不到1%的表面积，两根石墨烯汇流线之间的晶体硅晶片的外露表面积占99%以上，太阳光照射到外露表面积占99%以上的晶体硅晶片、能够产生更大量的电流，而太阳光照射石墨烯汇流线的不到1%的外露表面积是不能产生电流的。扩大晶体硅晶片接受太阳光照射的表面积，有利于增加单片晶体硅晶片的整体发电量。三根竖向的铝质窄型汇流条的宽度分别为2毫米，两根平行的铝质窄型汇流条之间的间距为50毫米，间距中是晶体硅晶片的外露表面，太阳光照射间距中的晶体硅晶片的外露表面会产生电流，太阳光照射铝质窄型汇流条的表面不会产生电流。用宽度为1毫米的带石墨烯芯线的铝质窄型汇流条替换宽度为2毫米的铝质窄型汇流条可以扩大晶体硅晶片的外露表面积，增加晶体硅晶片多接受太阳光的照射量，从而增加单片晶体硅晶片的整体发电量。增加晶体硅晶片上的总体发电量，提高太阳能电池的光电转换效率，使太阳能光伏组件输送出更大的发电量进入外部导电电路向用电器或供电网提供优质的光伏电力，人类社会使用光伏发电量多了，必然会减少使用燃煤发电量，减少使用燃煤发电量必然会减少向空气中的碳排放，减少排放二氧化碳温室气体，才能使本世纪末全球气温上升幅度控制在高于1750年工业化前2摄氏度以内，二氧化碳排放量必须在十年以内呈下降趋势，并在本世纪下半段实现碳平衡。若不采取协调的行动，我们共有的地球生态可能在未来的数十年里，就无法供大群人永续地存活。世界上发展清洁能源最快的国家是德国，德国在2013年和2014年的夏天，峰值用电时的电网数据显示，50%的电力来自于光伏发电，并提出2050年实现全国80%的发电量将由光伏、风电为主的新能源提供的宏伟目标。中国的各级政府制订出优惠政策，鼓励建设大、中型光伏电站和光伏应用分布式发电项目，千方百计增加光伏发电量，减少碳排放，为人类生存和发展创造优美的生态环境。
现举出实施例如下：
实施例一：
安装在长度为156毫米、宽度为156毫米的单个单晶硅太阳能电池内的单片晶体硅晶片表面上的85根银浆汇流线的表面积加三根宽度为2毫米的铝质窄型汇流条的表面积之和占晶体硅晶片表面积的16%，现采用新的制造工艺，用极细的85根石墨烯汇流线和三根宽度为1毫米的带石墨烯芯线的铝质窄型汇流条替换原来的银浆汇流线和铝质窄型汇流条，使石墨烯汇流线表面积加带石墨烯芯线的铝质窄型汇流条表面积之和占晶体硅晶片总面积的比例下降到9%，使太阳光照射晶体硅晶片的表面积增加7%，因此产生更大的电流量，同时由于石墨烯的导电速度比银材、铝材的导电速度快得多，加快了电子在单晶硅太阳能电池中的汇集流动速度，单晶硅太阳能电池的光电转换效率有望提高百分之二。
实施例二：
安装在长度为156毫米、宽度为156毫米的单个多晶硅太阳能电池内的单片晶体硅晶片表面上的85根银浆汇流线的表面积加三根宽度为2毫米的铝质窄型汇流条的表面积之和占晶体硅晶片表面积的16%，现采用新的制造工艺，用极细的85根石墨烯汇流线和三根宽度为1毫米的带石墨烯芯线的铝质窄型汇流条替换原来的银浆汇流线和铝质窄型汇流条，使石墨烯汇流线表面积加带石墨烯芯线的铝质窄型汇流条表面积之和占晶体硅晶片总面积的比例下降到9%，使太阳光照射晶体硅晶片的表面积增加7%，因此产生更大的电流量，同时由于石墨烯的导电速度比银材、铝材的导电速度快得多，加快了电子在多晶硅太阳能电池中的汇集流动速度，多晶硅太阳能电池的光电转换效率有望提高百分之二。
Claims (2)
1.用石墨烯汇流线和汇流条提高输电量的晶体硅太阳能电池，其特征是，由晶体硅太阳能电池（1）、晶体硅晶片（2）、石墨烯汇流线（3）、带石墨烯芯线的铝质窄型汇流条（4）、竖条状的石墨烯引出电极（5）、带石墨烯芯线的背电极（6）共同组成；
在晶体硅太阳能电池（1）内包含有晶体硅晶片（2），单片晶体硅晶片（2）的长度为156毫米、宽度为156毫米，在单片晶体硅晶片（2）的受光面上分布有85条粘贴的、横向的、栅格状的宽度为2微米的石墨烯汇流线（3），两条平行的石墨烯汇流线（3）之间的间距为2毫米，在单片晶体硅晶片（2）的受光面上焊粘有三条带石墨烯芯线的铝质窄型汇流条（4），带石墨烯芯线的铝质窄型汇流条（4）的宽度为1毫米，两条平行的、竖向的、带石墨烯芯线的铝质窄型汇流条（4）之间的间距为50毫米，受光面上的三条带石墨烯芯线的铝质窄型汇流条（4）各伸出晶体硅晶片（2）的边沿外面15毫米长，用一根宽度为6毫米的、带石墨烯芯线的铝质宽型汇流条焊接并连接三条带石墨烯芯线的铝质窄型汇流条（4）的前端，在单片晶体硅晶片（2）的背面露出12个分散的带石墨烯芯线的铝质窄型汇流条（4）的背面露出部分与带石墨烯芯线的背电极（6）连接，然后进行层压、封装成为包括有带石墨烯芯线的铝质窄型汇流条（4）、石墨烯汇流线（3）的太阳能电池，石墨烯汇流线（3）、带石墨烯芯线的铝质窄型汇流条（4）、竖条状的石墨烯引出电极（5）构成晶体硅太阳能电池的表面电极；
晶体硅晶片（2）通过石墨烯汇流线（3）与带石墨烯芯线的铝质窄型汇流条（4）连接，带石墨烯芯线的铝质窄型汇流条（4）通过宽度为3毫米的带石墨烯芯线的铝质宽型汇流条与太阳能光伏组件中的铜芯导电线连接。
2.根据权利要求1所述的用石墨烯汇流线和汇流条提高输电量的晶体硅太阳能电池，其特征是，所述的晶体硅晶片（2）是单晶硅晶体硅晶片或多晶硅晶体硅晶片。
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