光伏:能源可持续到材料可持续

可持续发展理念已经成为人类社会发展的核心.在能源可持续方面,人们努力增加可再生能源的用量;然而,太阳能光伏产业经过20余年的蓬勃发展,初期建设的光伏电站组件即将迎来“退役潮”.巨量退役光伏组件给环境带来巨大压力,光伏资源可持续2.0概念可能是解题之钥.论述退役光伏组件结构以及含有的有价元素;指出运输成本高,乙烯-乙酸乙烯共聚物(EVA)剥离难及含F背板回收污染严重等棘手问题;对退役光伏组件回收的阻碍作用.对光伏资源可持续2.0概念框架下的集装箱式源头拆解理念、超临界发泡组件背板技术、光伏硅废料提纯技术及其合金化工艺进行系统的评述.最后,基于材料2.0概念,对退役光伏组件资源化利用的发展趋势进行展望,可为研发更加绿色高效的退役光伏组件再利用技术,提供一定的参考.

基于石墨烯电极的聚合物太阳能电池光学减反层的研究

石墨烯薄膜具有低阻且在可见光谱区具有高透过率,可应用于聚合物太阳能电池透明电极。本文基于时域有限差分分析方法(FDTD),研究了石墨烯太阳能电池的反射损耗及光吸收特性,并通过在玻璃基板与石墨烯间添加氧化镍层(Ni O)进行光学减反射。理论分析表明:优化的Ni O/石墨烯透明电极结构,能够成为氧化铟锡(ITO)的良好替代电极。

玻纤/乙烯基酯复合材料的制备及其盐雾腐蚀行为

我国新建的燃煤火力发电机组大多采用石灰石-湿法脱硫工艺,湿法烟气引起的盐雾腐蚀是导致火电厂烟囱内衬材料脱落的重要因素。本文基于真空辅助成型(VARTM)工艺低成本制造了玻纤/乙烯基酯复合材料,并在盐雾试验箱中分别腐蚀4 d、14 d、28 d和60 d,模拟其在自然盐雾环境下的力学性能变化,分析了复合材料的耐盐雾腐蚀性能,并采用SEM法分析微观机理和腐蚀前后试样表面形貌演化规律。结果表明,经过60 d的盐雾腐蚀,复合材料的力学性能均呈现出先增加后下降的趋势,在盐雾腐蚀60 d后,拉伸强度、弯曲强度、层间剪切强度分别下降了5. 6%、12. 71%、13. 61%。微观形貌表征发现,盐雾腐蚀后树脂基体发生了膨胀开裂,在纤维-树脂界面处形成缺陷进而导致力学性能下降。

不同无纺布对玻纤/乙烯基酯复合材料力学性能的影响

为了改善玻纤/乙烯基酯(GF/VE)复合材料的层间性能,采用VARI工艺制备层间加入共聚酯(PEs)、聚氨酯(TPU)、聚酰胺(PA)、乙烯-醋酸乙烯基酯(EVA)无纺布的GF/VE复合材料,对其拉伸、弯曲和Ⅰ型层间断裂韧性进行了研究。结果表明:加入PEs、TPU、PA、EVA无纺布分别使GF/VE复合材料Ⅰ型层间断裂韧性提高了142%、103%、46%、45%;加入TPU无纺布使GF/VE复合材料拉伸强度提升了6.43%,其余分别下降了2.93%、3.72%、28.67%;加入不同无纺布后弯曲强度分别下降了13%、14%、25%、60%。共聚酯和聚氨酯无纺布对GF/VE复合材料的增强、增韧效果优于聚酰胺材料。

共聚酯无纺布定型-增韧碳纤维复合材料的制备及力学性能

针对真空辅助树脂灌注工艺(VARI)成型纤维增强复合材料纤维体积含量较低、厚度难以控制、层间韧性较差的问题,将共聚酯无纺布引入碳纤维织物预成型体中,对其进行真空袋热压定型预处理,最后采用VARI工艺制得了碳纤维/环氧树脂基复合材料层合板。对比研究了共聚酯无纺布改性前后复合材料的厚度变化规律、Ⅰ型层间断裂韧性、短梁剪切性能和三点弯曲性能。结果表明,经共聚酯无纺布改性后层合板的厚度降低,纤维体积含量由改性前的57.9%提高至62.2%,其Ⅰ型层间断裂韧性GⅠC值提高了144.7%,短梁剪切强度和弯曲性能基本持平。Ⅰ型层间断裂韧性提升的主要机制:一是层间断裂面之间的纤维桥联作用;二是层间界面处弥散分布的热塑性颗粒阻碍了裂纹的扩展;三是层间的界面相因发生剪切塑性变形而需耗散额外的断裂能量。

多因素协同对GF/VE复合材料螺栓连接强度的影响研究

采用真空辅助RTM工艺制备玻纤/乙烯基酯(GF/VE)复合材料,基于L9(3^4)正交表选取宽径比、端径比、夹紧扭矩和改性无纺布材料四个因素并分别选取三个水平,研究了多因素协同对GF/VE复合材料单钉双搭接螺栓连接性能的影响。结果表明,宽径比为2,端径比为6,夹紧扭矩为9 N·m,层间加入TPU无纺布改性的GF/VE复合材料的螺栓连接强度最大。宽径比对复合材料连接强度的影响大于端径比,宽径比与端径比大于3时,复合材料在达到最大载荷后不会立即失效,而宽径比和端径比小于3时复合材料达到最大载荷后会立即失效。通过SEM对断口形貌进行分析,发现试样层间断裂面凸凹不平,热塑性薄膜加热熔化后与乙烯基酯树脂发生共混形成颗粒状弥散相,这种现象有利于增强纤维与树脂之间的粘结强度。

钙钛矿发光二极管光提取性能增强的研究进展

钙钛矿发光二极管具有色纯度高,发光层材料带隙可调等优点,目前其外量子效率已经超过20%,在平板显示和照明领域有很好的商业化前景.然而,同有机发光二极管类似,钙钛矿发光二极管同样存在衬底模式、表面等离子体模式、波导模式引起的内部损耗问题,在一定程度上限制了钙钛矿发光二极管的性能提升.因此,需要优化器件的材料和几何结构以获得更好的膜间光学导纳匹配,改善钙钛矿发光二极管光提取效率以增强器件的发光性能.当前,通过改变电极材料、增加等离子体激元、引入微纳结构以及优化钙钛矿薄膜和器件结构,可以增强钙钛矿发光二极管光提取效率,通过增强光提取效率后的钙钛矿发光二极管外量子效率可达28.2%,电流效率可达88.7 cd/A.本文针对钙钛矿发光二极管材料与结构的改变,从以上四个方面进行重点阐述.此外,进一步分析了这四种方法在提升器件光提取效率方面存在的优点和面临的问题,从而为钙钛矿发光二极管的制备和优化提供一定的借鉴.

定型压力对PES薄膜改性复合材料拉伸性能的影响研究

复合材料以优异的综合性能被广泛用于航空航天和汽车等领域,但高昂的制造成本阻碍了其进一步应用;低成本制造高性能复合材料一直是研究热点。针对真空辅助成型(VARTM)工艺所得复合材料力学性能差的不足,将聚醚砜(PES)薄膜置于预制体纤维层间,在一定温度和定型压力下制得改性预制体,最后采用VARTM工艺制得改性复合材料。研究了0. 1MPa、0. 3 MPa和0. 6 MPa定型压力下所得改性复合材料的拉伸性能,结果表明,与未改性复合材料相比,改性复合材料试样的拉伸强度和模量性能均得到提高。三种定型压力下改性复合材料的拉伸强度分别提高了16. 78%、41. 21%和29. 47%,拉伸模量分别提高了2. 48%、19. 01%和13. 22%,为低成本制造高性能复合材料提供了参考。

退火过程对硅锭热应力与位错影响的数值分析

利用CGSim软件对定向凝固多晶硅从长晶过程开始到退火过程结束进行瞬态数值模拟,研究不同退火温度和退火时间对多晶硅锭内热应力及位错密度的影响。通过软件中热弹性应力非稳态模型(Haasen-Alexander-Sumino模型)计算出位错和Von-Mises应力。结果表明:随着退火温度的升高和退火时间的增加,热应力及位错增殖速率的逐渐减小,在退火1 h后热应力和位错增殖速率大幅减小,退火3 h后减小效果减弱。高温退火时热应力和位错密度低于低温退火,在1250℃下退火3 h是比较合适的方案。

高温循环载荷下石英坩埚气孔-裂纹应力强度因子数值模拟

连续拉晶用石英坩埚的内壁会随拉晶次数的增多而形成更多的气泡,易在晶体中产生位错和侵蚀性硅熔体,导致坩埚随时间溶解和腐蚀等。为研究侵蚀性硅熔体与气泡相互作用对坩埚的影响,研究人员期望对石英坩埚的性能进行原位观察,然而,单晶炉内的极端高温环境使得很难通过实验手段对其内部进行研究。本文以石英坩埚内表面气孔-裂纹为研究对象,采用有限元模拟获得了高温循环载荷下石英坩埚不同气孔形态、裂纹形状和裂纹倾斜角度的各拉晶阶段应力强度因子(KⅠ、KⅡ、KⅢ),分析了总应力强度因子的分布规律。结果表明:随着裂纹倾斜角的增加,KΙ值呈现逐渐减小的趋势,KⅢ值呈现先增大后减小的趋势,且KⅢ值沿倾斜角45°对称;随气孔深径比增大,KΙ值呈现减小趋势,且减小速率以深径比等于1为界有明显的增大,KⅢKΙ,说明裂纹主导形式为Ⅰ型;裂纹形状比对KΙ或KШ值影响显著,形状比越小,裂纹尖端应力强度因子值越大;当倾斜角为0°时,总应力强度因子K值最大,此时裂纹扩展趋势最强,对石英坩埚危害最高;此外,连续拉晶下放肩阶段的总应力强度因子总是大于等径、收尾、冷却阶段。仿真结果对实际生产有一定的理论指导意义。

高拉速对Ф300 mm单晶硅点缺陷分布及生产能耗的影响

大尺寸直拉单晶硅的“增效降本”是当前光伏企业急需解决的问题。本文采用有限元体积法对Ф300 mm直拉单晶硅生长过程分别进行稳态和非稳态全局模拟,研究提高拉晶速率对直拉单晶硅生长过程中的固液界面、点缺陷分布以及生长能耗的影响。结果表明:拉晶速率提高为1.6 mm/min时固液界面的偏移量为33 mm,不会影响晶体的稳定生长;拉晶速率对晶体中点缺陷的分布起决定性作用,提高拉晶速率不仅能降低自间隙点缺陷的浓度,而且使晶棒内V/G始终高于临界值;且拉晶速率对功率消耗影响较大,提高拉晶速率后晶体生长时间减少了46.4%,单根晶体生长消耗功率降低了约4.97%。优化和控制适宜的拉晶速率有利于低成本地生长特定点缺陷分布甚至无点缺陷单晶硅,为提高大尺寸直拉单晶硅质量、降低生产能耗提供一定的理论支持。

氩气流速对400mm大直径磁场直拉单晶硅固液界面、热应力及氧含量的影响

大直径化是太阳能光伏用单晶硅发展的趋势之一。由于炉体结构的增大，炉内气体流场的变化对晶硅生长过程产生了一定的影响。本文采用CGSim晶体生长软件，系统分析了氩气进口流速对固液界面，热应力和晶体氧含量的影响。结果表明，随氩气流速的增加，固液界面高度逐渐下降，当氩气流速为中等范围时，固液界面波动最低，有利于提高拉晶过程的稳定性；另一方面，三相交界处热应力最大值随氩气流速的增加而降低，固液界面热应力波动幅度随氩气流速的增加而增加，综合两方面考虑，确定采用中等氩气流速（0．9—1．5m·s-1）工艺可有效避免断晶等缺陷的发生。同时，在中等氩气流速范围内，晶体中心处的氧含量下降至6．55×10^17m／cm3（氩气流速为1．5m·s-1时），与低氩气流速时相比，氧含量降低了18％。

感应加热制备太阳能级铸造准单晶硅熔体流动行为研究

用专业晶体生长软件（CG-Sim）对制备太阳能级准单晶硅用真空感应铸锭炉的热场结构以及在熔炼过程中硅熔体的流动行为进行了研究。结果表明，熔体中电磁力是熔体流动的驱动力之一，并且感应线圈与熔体高度的比值（k）对熔体内电磁力的大小和分布具有很大的影响，当k值为1．2时，熔体内形成一个上下贯通的涡流，有利于杂质的挥发。同时，当感应线圈频率在3000～5000Hz范围时，熔体对流强度较低，可以增加坩埚-熔体边界层的厚度，降低熔体中的氧含量。

加热器/坩埚相对位置对ф200mm单晶硅生长过程中温度场和晶体质量的影响

采用CGSim晶体生长软件,对现有工业单晶炉中的加热器位置进行优化并分析了其对热场、固液界面、晶体中温度梯度和氧含量的影响。结果表明,随加热器的上移,功率消耗略有降低,熔体内的温度梯度逐渐下降,在高埚位的生长条件下可以适当提升拉晶速率;同时,固液界面也趋于平坦,晶体中的温度梯度有所减少,从而可以有效地抑制缺陷的形成。另外,晶体中的氧含量也有一定程度的下降。可以得出,在晶体等径生长初期,提高加热器的位置是降低晶体生长成本和提升晶体品质的途径之一。

导流筒对200mm直拉单晶硅氧含量的影响研究

获得高品质、低成本的直拉单晶硅是太阳能发电技术大面积推广应用的关键基础之一。本文采用有限元ANSYS软件模拟直拉单晶硅中液口距(导流筒下沿与液面距离,DSM)和器盖距(导流筒伸入加热器的距离,DSH)对单晶炉内气体流场和热场分布的影响。结果表明,随液口距的减小,气流对熔体液面上方的吹拂能力逐渐加强,有利于SiO的挥发;当液口距小于15 mm时,气流对熔体液面产生了扰动,不利于氧含量的降低。随器盖距的增加,一方面,熔体内轴向温度梯度逐渐减小,降低了坩埚底部的温度;另一方面,坩埚侧壁的温度也逐渐降低,特别是坩埚侧壁与坩埚底部结合处温度的降低,可以减少融入熔体中的氧。最终,将数值模拟的结果应用至拉晶生产中,获得了氧含量为1.10×1018atoms/cm3的大直径(200 mm)太阳能级单晶硅,并使单炉拉晶时间比未优化前缩短了12.7 h。

300mm直拉单晶硅生长过程中晶体长度对内应力的影响

晶体内热应力是影响太阳能级单晶硅性能的关键因素之一。本文通过对晶体生长过程中热量的散失方式与晶体内应力之间的关系进行研究。结果表明,在晶体生长初期,晶体内热量主要通过籽晶传热、晶体肩部表面散热和晶体侧表面散失来进行交换。因此,在晶体籽晶下方、肩部下方和晶体侧表面均出现较大应力区域;随晶体生长的进行,热量传输方式转变为以晶体侧表面散热为主,这也导致晶体内最大应力值均集中在该区域。同时,晶体内最大应力值随晶体长度的增加而逐渐降低。

冶金级硅水热酸洗提纯研究

研究了正交试验和水热反应釜在酸洗提纯冶金级硅(工业硅)中的应用,结果表明,根据杂质在工业硅中的分布规律设计、实施工业硅中金属杂质的去除试验,方法可行,钙、铝、钛、铁杂质的相对去除率分别达到71.85%,80.68%,91.52%和95.21%。

采用石墨电极制备多孔硅工艺研究

采用石墨电极作为阴极,通过向腐蚀溶液中添加适量65%(质量分数wt%,下同)浓硝酸,以电化学腐蚀法在单晶硅片表面制备出多孔硅微结构。实验表明,随着腐蚀时间的增加,衡量多孔硅表面形貌的粗糙度和颗粒度指标值呈周期性增减变化;在电流密度为10 mA/cm2的阳极腐蚀参数下,将单晶硅片腐蚀1875秒制备的多孔硅样品的粗糙度和颗粒度值相对较大,原子力显微镜(AFM)和扫描电子显微镜(SEM)检测结果表明其硅柱最大高度、颗粒最大直径和平均直径分别达到470 nm、1693.590 nm、489.954 nm。

SAPS法沉积Ni-Mn-Mg-Al-O系负温度系数热敏厚膜及其性能研究

首次采用超音速等离子喷涂(SAPS)方法在氧化铝基板上沉积了Ni0.6Mg0.3Mn1.3Al0.8O4厚膜,利用扫描电子显微镜、X射线衍射和电阻–温度特性测试仪研究了热处理温度对沉积厚膜性能的影响规律。结果表明:随热处理温度的升高,沉积厚膜的平均晶粒尺寸增大,尖晶石相增多;当热处理温度低于500℃时,所制厚膜的电阻–温度曲线在室温到80℃的温度范围内呈现V型特征,而在800℃和1 200℃处理后,厚膜的电阻在室温至200℃的温度区间内呈现良好的负温度特性。

拉锭速度对铸造准单晶硅固液界面、氧含量及V/Gn值的影响

太阳能级铸造准单晶硅具有较高的光电转换效率和低的生产成本,是一种具有竞争力的晶硅类太阳能电池材料。本文采用CGSim晶体生长软件,系统分析了拉锭速度对固液界面,晶体氧含量和V/Gn值的影响。结果表明,一方面,随着拉锭速度的增大,固液界面曲率逐渐加大,增加了铸锭边缘区域多晶的形成几率;另一方面,熔体温度逐渐降低,导致晶体氧含量会逐渐减少;同时,拉锭速度大于10 mm/h时,固液界面处V/Gn值均大于临界值。最终,最佳的铸造准单晶硅拉锭速度为10~15 mm/h。