太阳能花椒采摘器的设计

太阳能花椒采摘器的设计I297484.3.1选定齿轮的类型、精度等级、材料及齿数 148804.3.2按齿面接触强度设计 1599254.3.3锥齿轮的设计 17110334.4轴承的选择 18283734.5轴的设计 1977884.6刀具的设计 1962565太阳能电池简介 21257185.1太阳能概况 2153455.1.1光伏效应 21158975.1.2晶硅太阳电池 22274485.1.3太阳能发电系统 2584375.1.4并网型太阳能交流发电系统 25251195.1.5储能专用铅酸蓄电池的选用 25272505.1.6胶体铅酸蓄电池（阀控式铅酸蓄电池）发展 28218175.2功率的计算 2951395.2.1耗电量的计算 29313955.2.2功率的计算 29152405.3蓄电池的选择 32167185.4太阳能电池板的计算 3292315.5太阳能光板的转换率 33305335.5.1常规和非常规半导体电极的光电化学太阳电池 33174475.5.2有机光敏染料的光电能量转换 3579745.5.3纳米结构半导体电极的光电能量转换 37188565.5.4有机／纳米半导体复合薄膜的光电化学太阳电池 3822097致谢 414022参考文献 42PAGEII陕西科技大学毕业设计说明书PAGEI太阳能花椒采摘器的设计1绪论1.1课题的来源针对花椒采摘和收集的困难的现象，创新性的设计并创造出一种用于花椒采摘的菱形花椒采摘机。1.2国内外研究现状我们国家发明了一些花椒采摘机，但是不可否认的是我们的技术还是比较落后的，无论是效率、自动化程度还是方便程度等方面还不是太出色。基本上还是处在以人为主，以机器为辅。这样不仅会使得生产效率低下，而且人员也比较疲劳。1.3本文研究的内容了解花椒的采摘过程和方式，查找关于花椒采摘的文献，查找花椒采摘的主要难题。收集一些关于太阳能电池的资料和太阳能的应用与现在的太阳能发展现状。了解已经使用的各种花椒采摘机的操作方法和它的优缺点，并借鉴一些和花椒采摘类似的采摘机，例如棉花采摘机，苹果采摘机。这些东西国内外都是存在，我们可以获得更多的相关知识，最后我们要设计一个全新的花椒采摘机并写出毕业设计说明书。2花椒属性2.1花椒形态落叶灌木或小乔木，高3-7米，具香气，茎干通常有增大的皮刺。单数羽状复叶，互生，叶柄两侧常有一对扁平基部特宽的皮刺；小叶5-11，对生，近于无柄，纸质，卵形或卵状矩圆形，长1.5-7厘米，宽1-3厘米，边缘有细钝锯齿，齿缝处有粗大透明的腺点，下面中脉基部两侧常被一簇锈褐色长柔毛。聚伞状圆锥花序顶生；花单性，花被片4-8，一轮，子房无柄。蓇葖果球形，红色至紫红色，密生疣状突起的腺休。除东北和新疆外几分布于全国各地，野生或栽培。喜生于阳光充足、温暖、肥沃的地方。果实为调味料，并可提取芳香油，入药有散寒燥湿、杀虫之效；种子可榨油；叶制农药。2.2生长习性喜光，适宜温暖湿润及土层深厚肥沃壤土、沙壤土，萌蘖性强，耐寒，耐旱，抗病能力强，隐芽寿命长，故耐强修剪。不耐涝，短期积水可致死亡。2.3生态分布图2-1花椒花椒，分布于我国北部至西南，我国华北、华中、华南均有分布。四川汉源花椒，古称“贡椒”，自唐代元和年间就被列为贡品，长达一千余年，史籍多有记载。今日之川菜百味，更是“麻”字当头，而正宗川味，其椒必取自汉源，汉源花椒主要用于火锅主料、烧菜、炖菜等佳肴的制作。山西运城、陕西韩城（地理位置的关系，韩城花椒的味道最浓，最为香美）、合阳（国内最大产地，宝鸡地区也有一些），河南省伏牛山、太行山、山东沂源栽培较为集中，由于地理气候等原因，尤以南太行山顶端马圪当地区的大红袍为佳，鄢陵各处均有栽植。南美洲有一些品种在野外生长。其中，甘肃省陇南及临夏地区已经成为除陕西韩城以外的第二大花椒产区，其周边地区也有栽植，由于地理位置海拔关系在甘肃临夏北塬片种植出的伏椒味道最浓，最为香浓美纯真，近两年得到政府的大力支持不断扩大花椒种植面积已经建立农户30万亩专业种植基地花椒预计总产量将达到20000吨。2.4常见树形（a）三主枝开心形。截头后留3个分布在3个方向的主枝，最好是北、西南、东南各1主枝，基角保持在60°—70°，每个主枝上配4—7个侧枝，结果枝和结果枝组均匀地分布在主侧枝双侧。这种树形光照较充足，树冠也大，能高产。（b）丛状。栽后从基部截干，从发出的多个枝条中保留5—6个主枝，3—4年即成形。这种树形易早丰产，适于早产密植园。（c）自然开心形。定植后于30—50cm左右处留第1侧枝，这种树形一般留3—4个主枝，4—5年就可以培养成形。这种树形光照好，能丰产稳产。2.5花椒的采摘2.5.1采收时间采收时间因花椒主要使用部分是花椒果皮所以严格地讲花椒的成熟期实际是指花椒果皮品质最佳的时期这个时期也是花椒采收的最佳时期。花椒表皮呈深绿色油胞明显突起有浓郁的麻香味此时可视花椒成熟应及时采收。平坝浅丘区一般在6月中下旬深丘山区略推迟。采收过早过迟都会影响品质。采收过早成熟度不足麻香味不浓色泽不鲜采收过迟过于成熟麻香味变淡色泽老化甚至变成紫红色。2.5.2采摘前的准备工作采收前的用具准备采收前应准备的采收工具如剪刀等和盛装花椒的用具如背篼、提篮、箩筐或花椒专用装箱等。这些工具和用具都要求清洁无污染并用柔软的纱布或尼龙纱窗等作内衬以防擦伤花椒果皮擦破油胞但不能用塑料薄膜等有毒和不透气的物品作内衬。用于运输花椒的工具如汽车等也要求洁净无污染。2.5.3采摘方法采收方法应选晴天露水干后进行采收。用剪刀剪下或用手轻轻摘下果穗并轻轻放在背篼或提篮中也可用提篮等接着让剪下的果穗直接掉入其中避免用手拿椒如选用“花椒采摘机”另有介绍。尽量做到在椒园一次性采收到不带枝、刺、叶的净花省去在室内再整理的工序以减少对椒果的碰撞摩擦。盛装椒果的容器背篼、箩筐等内不要装得过多一般不超过容器容积的70%更不能为了多装而用手将椒果压紧要及时倒出以免挤压碰破油胞。2.5.4注意事项（a）选晴天上午露水干后采收不能在雨天和有露水时采收否则使椒颜色暗淡。（b）品质低劣甚至变黑发霉。（c）在采收的全过程都要注意轻拿轻放避免碰破油胞。（d）采收的花椒要做到无叶、无刺、无枝柄、无油椒、无变色椒。（e）采收后必须及时摊晒不能推放太久。2.6现有的花椒采摘器图2-2花椒采摘器工作原理：采摘机和剪刀的工作原理类似。图2-3花椒采摘器（a）产品概况：本产品是经田间多次试验和多种花椒采摘工具对比后效率与实用性最强的一部电动用具。效率可提高2-3倍。该产品于2009年通过国家知识产权颁发专利，科技局大力提倡推广的园艺工具。

（b）产品的性能与特点：此新型花椒采摘机实现自动剪切！它由两个电瓶（4V1200AH)供电，可保证长达12小时的电源供给。机械部分是通过高速动力带动刀片（刀片材质为4CR进口)工作，方便快捷且效率极高。由于刀口部分设计灵巧，适用于任何树枝环境下的采摘。

（c）产品的使用方法：前方螺丝顺时针转可调紧刀的结合面且调慢转速，发现剪切不彻底时可这样调节。逆时针转可放松两刀片结合，且放快转速（调到“刀尖”贴合且转速最快时为标准）。打开开关后开关朝下手握，只需将需除去的花果枝对准刀口，花果枝便一触即掉。充电时红夹接正极黑夹接负极（每次可同时充两节）。待指示灯熄灭即充电完成，也可根据耗电量的幅度与工作速度充电。图2-4花椒采摘器工作原理：利用刀具的旋转进行工作。3总方案的选择3.1背景技术花椒成熟之时，其采摘通常是手工采摘。这种不借助任何工具的采摘方法从远古一直沿袭至今，从没有过任何的改进。实际上手工采摘花椒是一种极困难又艰苦的劳动，因为花椒树枝干上布满了原生刺，在采摘过程中操作者极易被刮伤。虽然我们国家也发明了一些花椒采摘机，但是无论是效率、自动化程度还是方便程度等方面还不是太出色。基本上还是处在以人为主，以机器为辅。这样不仅会使得生产效率低下，而且人员也比较疲劳。3.2方案介绍3.2.1方案一本方案的目的是针对现有技术的不足，提供一种菱形圆形锯齿花椒采摘机，在花椒采摘过程中借助工具而不必用手直接与花椒接触，以机械取代手工，达到省时、减少痛苦、提高生产效率的目的。为了达到上述目的，本实用新型采用的技术方案为：此技术，包括刀具、连杆，手柄。刀具在整个机构的最上端固定在四个轴上；连杆上下的运动可以使得三脚架绕轴转动；开关在机构的外面可以上下的滑动；手柄固定在本体上。当开关关闭时一个刀具和另一个刀具是成一个角度的，当开关打开时，四个刀具会转动相同的角度，最终会形成一个菱形。（1）附图说明图3-1为本实用新型花椒采摘机开启前刀具示意图。图3-2为本实用新型花椒采摘机工作时刀具示意图。图3-3为本使用新型花椒采摘机工作原理图（未切割时）。图3-4为本使用新型花椒采摘机动力原理图（切割时）。（2）具体实施方式下面结合附图3-3对本实用新型做进一步详细说明。为了实现刀具的转动我们只需要把与刀具连接的轴相应的转动一个角度，通过齿轮的啮合可以改变转角的方向。当开关开启时，开关向上滑动一定的距离，连杆2向上运动，使得三脚架3转动一个绕轴4角度，从而使得刀具围成一个菱形（图2）。当开关关闭时开关运动方向与开启时方向相反，使得之后的构件的运动与之前的相反，则刀具会回到起始状态（图2）。打开电源电机输出转速，带动轴转动，轴上的皮带轮带动7转动，7与6啮合，6与5啮合，使得四个刀具高速转动。以上结构可实现花椒采摘的配合，给花椒的采摘带来了很大的便利。图3-1刀具初始图图3-2刀具工作图1—刀具图3-3运动原理图（未切割时）图3-4运动原理图（切割时）1—带轮2—连杆3—三脚架4—轴5、6、7—齿轮8—电动机3.2.2方案二此方案包括四个刀具、手柄和开关。开关开启前，两队刀具是成一定的角度的如图，此时刀具也是转动的。当拨动开关时开关反转，使得两队刀具平行，包裹着花椒枝，这样就可以使得花椒树上的花椒完全采摘。（1）附图说明图3-5为本使用新型花椒采摘机原理示意图。图3-7为本使用新型花椒采摘机动力传动图（未切割时）。图3-6为本使用新型花椒采摘机动力传动图（切割时）。（2）具体实施方式下面结合附图3对本实用新型做进一步详细说明。为了实现刀具的转动我们只需要把与刀具连接的轴相应的转动一个角度。当开关开启时，电机正转带动刀具转动，刀具的工作状态如图1所示。当在按开关时，电机反转，带轮3带动齿轮5转动齿轮5带动6转动，齿轮10绕齿轮9的轴转动90度，使得刀具呈图2所示。同理另一端的传动也是一样，当电机正转时，传动和反转是一样的，但是不同的是齿轮10绕齿轮8转动的方向是相反的。图3-5花椒采摘器示意图图3-6花椒采摘器传动示意图（切割时）图3-7花椒采摘器传动示意图（未切割时）1—小带轮2—V带3—刀具4—电机5、6、7、8、9、10、11—齿轮以上结构可实现花椒采摘的配合，给花椒的采摘带来了很大的便利。3.3方案对比因为花椒枝是很小的，为了能够完全的对花椒进行采摘，我们必须使得花椒采摘器的刀具的两个方向的距离不能太小，这样就不能使得机器正常的运动，但是同样的我们也不能使得花椒采摘器的刀具的间距太大，这样会使得花椒采摘的不完全，而且也增加了毁坏果实的可能性。图3-8方案一的刀具运动分析图1—花椒采摘器的刀具2—花椒枝方案1由于两个刀具是随着三脚架的转动而转动的，因为它整体的转动，这样就不得不增加两队刀具的距离。而且因为转动也会使得连接刀具的轴需要在空间进行转动导致刀具会朝上图箭头所指的方向移动，这样就会导致在采摘花椒时，对刀具与花椒枝的距离的判断影响增大很多。同时方案一还会有连杆机构也会增加机构的复杂性。而方案二则没有第一个问题和第三个问题吗，同时方案二只会有一根轴在空间转动。综上所述方案二更加的合理和简洁。4传动方案的设计4.1电机的选用因为花椒采摘器的所需的功率很小，所以我选用了普通的玩具电机：RC-280SA-12300.该电机的输出功率是1.03w、负载转矩5110ｒ/min、效率是51.5%、外观尺寸是23.8*27mm。是一个圆形电机，采用的是碳刷，它的输出轴可以根据实际的需要，进行增减长度，做各种削平和压花等处理。典型的用途：玩具，按摩器，模型。4.1.1功率的计算由于不需要很高的精度，所以采用8机的齿轮精度，采用油润滑。根据《机械零件手册》表2-2得出齿轮的传动效率。因为需要较大距离的传动，因此我采用带轮传动，为了使得花椒采摘器的外观尺寸尽量的减小，所以采用结构紧凑的V带传动。根据《机械零件手册》表2-2得出V带轮的传动效率为：。因为花椒采摘器的轴的尺寸很小，所以我采用滑动轴承。根据《机械零件手册》表2-2得出滑动轴承的传动效率：。锥齿轮的传动效率：由电机的参数可得：P=1.03W因此可得：轴1的功率：（4-1）轴2的功率：（4-2）轴3的功率：（4-3）轴4的功率：（4-4）轴5的功率：（4-5）4.1.2各轴的转速已知电机的输出轴的转速是：（a）轴1的转速：因为带轮的传动比，（4-6）所以（b）轴2的转速：已知，齿轮的传动比（4-7）所以（c）轴3的转速：已知，齿轮的传动比（4-8）所以4.2带轮的设计4.2.1确定计算功率根据《机械设计》表8-7差的工作情况系数,故（4-9）4.2.2选择V带的带型根据、n由《机械设计》图8-10选用Y型。4.2.3确定带轮的基准直径并验算带速v（1）初选小带轮的基准直径。由《机械设计》表8-6和表8-8，取小带轮的基准直径：=20mm。查表基准宽带制v带轮的基准直径系列查得（2）验算带速v。根据《机械设计》式（8-13）验算带的速度（4-10）因为5m/s<v<30m/s,故带速合适。（3）计算大带轮的基准直径。根据《机械设计》式（8-15a），计算大带轮的基准直径（4-11）根据《机械设计》表8-8，取=40mm。（4）确定V带的中心距a和基准长度（a）根据《机械设计》式（8-20），初定中心距。（b）由《机械设计》式（8-22）计算带所需的基准长度（4-12）由《机械设计》表8-2选带的基准长度=280mm。（c）按（机械设计）式（8-23）计算实际中心距a。（4-13）考虑到带轮的制造误差、带长误差、带的弹性以及因带的松弛而产生的补充紧张的需要，常给出中心距的变动范围（4-14）因此可得中心距的变化范围为。（5）验算小带轮上的包角（4-15）计算带的根数z（a）计算单根V带的额定功率。由和n=5110r/min,查《机械设计师手册》表12-17a得根据n=5110r/min,i=2和Y型带，查《机械设计师手册》表12-17a得.查《机械设计》表8-5得,《机械设计》表8-2得，于是（4-16）

（b）计算V带的根数z（4-17）取z=1（c）计算单根V带的初拉力的最小值由表8-3得Y型带的单位长度质量q=0.02kg/m,所以：（4-18）应使带的实际初拉力（7）计算压轴力压轴力的最小值为（4-19）（8）带轮结构设计因为只有一根带并且由于带轮选择的是工程塑料，所以选择带轮设计为实心式。根据《机械设计》表8-10因为，所以4.3齿轮的设计4.3.1选定齿轮的类型、精度等级、材料及齿数（1）按设计的要求援用直齿圆柱齿轮。（2）花椒采摘机是一般的工作机器，对精度的要求也不高，所以选用8级精度。（3）材料的选择，因为花椒采摘器的所受载荷是很小的，并且考虑到在实际中的操作，所以应该尽可能的减小它的质量，所以对此，我选用使用QT600-2。它的硬度为300HBS.（4)选小齿轮的齿数。因为带轮的直径是40mm，而花椒的两个刀具应该尽可能的靠近，这样才可以更加全方位的对花椒进行采摘。但是带轮的直径是16mm，这个距离相对于两个刀具的距离是十分致命的。因此我们必须使得刀具在带轮的正上方，所以必须使得它们的中心距大于50mm。因此，我选择传动比i=4，根据《机械系统设计》表5-2.可知，当i=4时，可选择。则4.3.2按齿面接触强度设计由《机械设计》设计计算公式（10-9a）进行试算，即（4-20）确定公式内的各计算数值（a）试选载荷系数。（b）计算小齿轮传递的转矩。（4-21）（c）由《机械设计》表选取齿宽系数0.2（d）由《机械设计》表10-6查的材料的弹性影响系数（e）有《机械设计》图10-21d按齿面硬度查的小齿轮和大齿轮的接触疲劳强度极限（f）由《机械设计》式10-13计算应力循环次数。花椒采摘器的工作年限为5年（设每年工作300天），每天工作8小时，一班制。（4-22）（g）由《机械设计》图10-19取接触疲劳寿命系数（h）计算接触疲劳许用应力。取失效概率为1%，安全系数s=1由《机械设计》式（10-12）得（4-23）（4-24）（2）计算（a）试算小齿轮分度圆直径，代入中较小的值。（4-25）（b）计算圆周速度v。（4-26）其它齿轮的设计，因为刀具的直径是14mm，刀具的夹角为45度两刀杆的中心距为15.56mm。如果只用两个齿轮的话，齿轮和花椒枝，还有齿轮和齿轮会发生干涉的情况（图4-1）而为了花椒枝能够顺利的通过两个齿轮的中间，所以不得不增加齿轮的个数和减小齿轮的模数。所以选择图中齿轮7、8、9、10的模数为0.2，齿数为27.图4-1齿轮与花椒枝干涉1—刀具2—花椒枝3—齿轮因为锥齿轮的原因，如果不提高刀具的高度刀具和花椒枝就会和锥齿轮箱体的外壳干涉。所以为了提高刀具的高度便增加了两个齿轮（图4-2）。它们的模数是0.2，齿数为60.图4-2锥齿轮外壳和花椒枝的位置4.3.3锥齿轮的设计则（4-27）根据《机械设计师手册》表15-3选择锥齿轮的大端模数为0.5因为锥齿轮是GB/T123369-1990根据《机械设计师手册》表15-2可得：齿形角齿顶高系数顶隙系数螺旋角选用等顶隙收缩齿取齿宽系数根据《机械设计师手册》表15-4得分锥角：（4-28）（4-29）齿宽：（4-30）根据《机械设计师手册》图15-6得：切向变位系数：（4-31）根据《机械设计师手册》表15-4得：径向变位系数：（4-32）齿顶高系数为：（4-33）4.4轴承的选择有上面的计算可知，因为整个花椒采摘器的尺寸相对较小，如果使用滚动轴承安装和和外壳设计会比较的困难一些，所以选用径向滑动轴承。因为受限于尺寸原因，所以润滑比较困难，那么我们在选择材料时就要考虑到材料的自润滑能力，还要尽可能的较小花椒采摘器的重量。考虑到以上的种种原因，所以选用有良好的耐磨性和自润滑性，并且强度要求不高的聚四氟乙烯。在连接刀具的两根轴不仅要自转，还要绕着一根齿轮轴转动，所以在此处只有选择滚动轴承。查《机械设计师手册》取GB/T276-199460000型618/1.5。同理因为润滑的原因和它的运动方式，必须考虑到自润滑性和一定的强度。因此采用耐高温零件—聚苯醚。4.5轴的设计因为轴承的宽度为1.2mm,所以轴的长度选为1.2mm，为了安装齿轮方便所以在安装齿轮的前一段会有一段直径为2mm的8mm长的轴，第三段轴的长度是可以浮动的，为了固定锥齿轮和齿轮的轴向位置，所以需要一个轴肩，轴肩的直径为6mm，长度为11mm，因为锥齿轮的直径为4mm，长度为4.89mm，所以选择轴的直径为4mm，轴的长度为4.89mm，为了固定锥齿轮轴向位置，所以采用了锁紧螺母，此段轴的长度为11mm。轴的尺寸如图4-3所示。图4-3轴的尺寸4.6刀具的设计假设花椒枝的直径为8mm，为了采的更多花椒，所以刀具的直径应该选择大一点，但是如果刀具的直径过大，那么刀具切割的范围就会增大，毁坏果实的可能性就增大了不少。因此选择选择刀具的直径为14mm，刀具如下图所示1—刀具2—花椒枝因为要切掉花椒枝一周的花椒，所以选择盘形的刀具，而为了尽可能的切掉花椒枝上的花椒，所以刀具的夹角为选为45度（如图4-5）.图4-4花椒采摘器切割时刀具的分布图图4-5刀具的外形5太阳能电池简介5.1太阳能概况太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源，生物质能、风能、海洋能、水能等都来自太阳能，广义地说，太阳能包含以上各种可再生能源。太阳能作为可再生能源的一种，则是指太阳能的直接转化和利用。通过转换装置把太阳辐射能转换成热能利用的属于太阳能热利用技术，再利用热能进行发电的称为太阳能热发电，也属于这一技术领域；通过转换装置把太阳辐射能转换成电能利用的属于太阳能光发电技术，光电转换装置通常是利用半导体器件的光伏效应原理进行光电转换的，因此又称太阳能光伏技术。二十世纪50年代，太阳能利用领域出现了两项重大技术突破：一是1954年美国贝尔实验室研制出6％的实用型单晶硅电池，二是1955年以色列Tabor提出选择性吸收表面概念和理论并研制成功选择性太阳吸收涂层。这两项技术突破为太阳能利用进入现代发展时期奠定了技术基础。太阳能电池的特性：太阳能电池是一个巨大的PN结，它把太阳能转换为电能，对于单片太阳能电池来说，它是一个小的PN结，除了当太阳光照射在上面时，它能够产生电能外，它还具有PN结的一切特性。在标准光照条件下，它的额定输出电压为0.48V。在太阳能照明灯具使用中的太阳能电池组件都是由多片太阳能电池连接构成的。它具有负的温度系数，温度每上升一度，电压下降2mV。对于多片太阳能电池组成的太阳能电池组件，太阳能电池一般都如下参数：Isc是短路电流，Im是峰值电流，Voc是开路电压。Vm是峰值电压，Pm是峰值功率。在使用中，太阳能电池开路或者短路都不会成损坏，实际上我们也正是利用它的这个特性对系统蓄电池充放电进行控制的。太阳能电池的选择：我们所说的太阳能电池输出功率Wp是标准太阳光照条件下，即：欧洲委员会定义的101标准，辐射强度1000W/m2，大气质量AM1.5，电池温度25℃条件下，太阳能电池的输出功率。这个条件大约和平时晴天中午前后的太阳光照条件差不多，（在长江下游地区只能接近这个数值）这并不象有些人想象的那样，只要有阳光就会有额定输出功率，甚至认为太阳能电池在夜晚日光灯下也可以正常使用。这就是说，太阳能电池的输出功率是随机的，在不同的时间，不同的地点，同样一块太阳能电池的输出功率是不同的。5.1.1光伏效应光生伏特效应简称为光伏效应，指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象。太阳能电池是一种近年发展起来的新型的电池。太阳能电池是利用光电转换原理使太阳的辐射光通过半导体物质转变为电能的一种器件，这种光电转换过程通常叫做“光生伏打效应”，因此太阳能电池又称为“光伏电池”，用于太阳能电池的半导体材料是一种介于导体和绝缘体之间的特殊物质，和任何物质的原子一样，半导体的原子也是由带正电的原子核和带负电的电子组成，半导体硅原子的外层有4个电子，按固定轨道围绕原子核转动。当受到外来能量的作用时，这些电子就会脱离轨道而成为自由电子，并在原来的位置上留下一个“空穴”，在纯净的硅晶体中，自由电子和空穴的数目是相等的。如果在硅晶体中掺入硼、镓等元素，由于这些元素能够俘获电子，它就成了空穴型半导体，通常用符号P表示；如果掺入能够释放电的磷、砷等元素，它就成了电子型半导体，以符号N代表。若把这两种半导体结合，交界面便形成一个P－N结。太阳能电池的奥妙就在这个“结”上，P－N结就像一堵墙，阻碍着电子和空穴的移动。当太阳能电池受到阳光照射时，电子接受光能，向N型区移动，使N型区带负电，同时空穴向P型区移动，使P型区带正电。这样，在P－N结两端便产生了电动势，也就是通常所说的电压。这种现象就是上面所说的“光生伏打效应”。如果这时分别在P型层和N型层焊上金属导线，接通负载，则外电路便有电流通过，如此形成的一个个电池元件，把它们串联、并联起来，就能产生一定的电压和电流，输出功率。制造太阳电池的半导体材料已知的有十几种，因此太阳电池的种类也很多。目前，技术最成熟，并具有商业价值的太阳电池要算硅太阳电池。太阳能电池就是利用光伏效应将太阳能直接转换为电能的一种装置。5.1.2晶硅太阳电池晶硅太阳电池向高效化和薄膜化方向发展晶硅太阳电池向高效化和薄膜化方向发展晶硅太阳电池向高效化和薄膜化方向发展晶硅太阳电池向高效化和薄膜化方向发展单晶硅高效电池单晶硅高效电池单晶硅高效电池单晶硅高效电池，单晶硅高效电池的典型代表是斯但福大学的背面点接触电池（PCC），新南威尔士大学（UNSW）的钝化发射区电池（PESC，PERC，PERL以及德国Fraumhofer太阳能研究所的局域化背表面场（LBSF）电池等。（a）新南威尔士大学高效电池；（b）斯但福大学的背面点接触电池（PCC）（c）德国Fraunhofer太阳能研究所的深结局部背场电池（LBSF）（d）日本SHARP的C一Si／μc-Si异质pp+结高效电池多晶硅太阳电他的出现主要是为了降低成本，其优点是能直接制备出适于规模化生产的大尺寸方型硅锭，设备比较简单，制造过程简单、省电、节约硅材料，对材质要求也较低。晶界及杂质影响可通过电池加工工艺进行改善；由于材质和晶界影响，电池效率较低。电池工艺主要采用吸杂、钝化、背场等技术。常规铝吸杂工艺是在电池的图5-1单晶硅电池板背面蒸镀铝膜后经过烧结形成，也可同时形成电池的背场。近几年在吸杂上的工作证明，它对高效单晶硅太阳电池及多晶硅太阳电池都会产生一定的作用。钝化是提高多晶硅质量的有效方法。一种方法是采用氢钝化，钝化硅体内的悬挂键等缺陷。在晶体生长中受应力等影响造成缺陷越多的硅材料，氢钝化的效果越好。氢钝化可采用离子注入或等离子体处理。在多晶硅太阳电池表面采用PECVD法镀上一层氮化硅减反射膜，由于硅烷分解时产生氢离子，对多晶硅可产生氢钝化的效果。在高效太阳电池上常采用表面氧钝化的技术来提高太阳电他的效率，近年来在光伏级的晶体硅材料上使用也有明显的效果，尤其采用热氧化法效果更明显。使用PECVD法在更低的温度下进行表面氧化，近年来也被使用，具有一定的效果。多晶硅太阳电池的表面由于存在多种晶向，不如（100）晶向的单晶硅那样能经由腐蚀得到理想的绒面结构，因而对其表面进行各种处理以达减反射的作用也为近期研究目标，其中采用多刀砂轮进行表面刻槽，对10cmX10cm面积硅片的工序时间可降到30秒，具有了一定的实用潜力。多孔硅作为多晶硅太阳电池的减反射膜具有实用意义，其减反射的作用已能与双重减反射膜相比，所得多晶硅电池的效率也能达到13。4％。（a）GeogiaTech．电池（b）UNSw电池（c）Kysera电池为了大幅度降低太阳电池的成本，光伏界一直在研究开发薄膜电池，并先后开发出非晶硅薄膜电他，硫化镐（CdTe）电池，铜钢硒（C1S）电池等。特别是非晶硅电池。（a）CVD多晶硅薄膜电池图5-2多晶硅电池板（b）多层多晶硅薄膜电池图5-3薄膜光伏电池目前太阳能电池的封装形式主要有2种，层压和滴胶，层压工艺可以保证太阳能电池工作寿命25年以上，滴胶虽然当时美观，但是太阳能电池工作寿命仅仅1~2年。因此，1W以下的小功率太阳能草坪灯,在没有过高寿命要求的情况下，可以使用滴胶封装形式，对于使用年限有规定的太阳能灯，建议使用层压的封装形式。另外，有一种硅凝胶用于滴胶封装太阳能电池，据说工作寿命可以达到10年。5.1.3太阳能发电系统（1）光伏发电系统分为独立型与并网型。（a）独立型太阳能交流发电系统一般包括以下几个部分：（b）太阳电池阵列：按一定方式排列和连结组合的太阳电池组件，以及支撑这些组件的支架和基础。（c）储能电池：根据使用要求，可以是不同种类的可充电电池。（d）控制器：用于控制太阳电池阵列给储能（e）电池充电过程的设备，它具有各种保护功能，可以确保系统安全稳定的连续运行。（f）逆变器，输入从储能电池来的直流电，输出所需要的交流电，例如：中国是220V50Hz。（g）配电箱及连接导线：用于连结系统设备和管理输出电力的设备。（2）独立型太阳能直流发电系统一般包括以下几个部分：（a）太阳电池阵列：按一定方式排列和连结组合的太阳电池组件，以及支撑这些组件的支架和基础。（b）储能电池：根据使用要求，可以是不同种类的可充电电池。（c）控制器：用于控制太阳电池阵列给储能电池充电过程的设备，它具有各种保护功能，可以确保系统安全稳定的连续运行。（d）配电箱及连接导线：用于连结系统设备和管理输出电力的设备。5.1.4并网型太阳能交流发电系统并网型太阳能交流发电系统一般包括以下几个部分：（a）太阳电池阵列：按一定方式排列和连结组合的太阳电池组件，以及支撑这些组件的支架和基础。（b）储能电池：根据使用要求，可以是不同种类的可充电电池。（c）控制器：用于控制太阳电池阵列给储能电池充电过程的设备，它具有各种保护功能，可以确保系统安全稳定的连续运行。（d）并网逆变器，输入从储能电池来的直流电，输出所需要的交流电，例如：中国是220V50Hz。（e）配电箱及连接导线：用于连结系统设备和管理输出电力的设备。5.1.5储能专用铅酸蓄电池的选用近年来，太阳电池的光伏发电技术得到了世界各国的高度重视。从欧美的太阳能光伏“屋顶计划”到我国的西部光伏发电项目以及“光明工程”。太阳能光伏发电已经显示了其强劲的发展势头。随着光伏发电技术的发展和低成本光伏组件的产业化，太阳能灯具、光伏电站和光伏户用电源，均要求蓄电池供应商能够提供全天候运行的蓄电池，而目前光伏系统多采用阀控式密封铅酸蓄电池（以下简称铅酸蓄电池缩写为VRLAB）胶体铅酸蓄电池和免维护铅酸蓄电池（不是VRLA蓄电池）作为储能电源。耐候性是指蓄电池适应自然环境的特性。本文主要讨论自然环境下温度对蓄电池寿命、容量的影响及解决方法，以及储能铅酸蓄电池选用。（1）温度对铅酸蓄电池寿命的影响VRLA铅酸蓄电池受温度影响较大，按阿里纽斯原理，在大于40℃，温度升高10度，寿命降低一倍，寿命终止的主要原因是：（a）硫酸电解液干涸；（b）热失控；（c）内部短路等。（a）硫酸电解液干涸：关键问题因素之一。酸液干涸将造成电池容量降低，甚至失效。造成电池干涸失效这一因素是铅酸电池所特有的。酸液干涸的原因：（1）气体再化合的效率偏低，析氢析氧、水蒸发；（2）从电池壳体内部向外渗水；（3）控制阀设计不当；（4）充电设备与电池电压不匹配，电池电压过高、发热、失水、干涸而失效。VRLA铅酸蓄电池受到上述（1）（2）（3）（4）四种因素的影响，其中（2）（3）（4）三种因素引起的失水速度随环境温度的上升而加快，从而加速了铅酸蓄电池以干涸方式失效。酸液干涸是影响VRLA铅酸蓄电池寿命的致命因素，VRLA蓄电池不适于在35℃以上高温条件下使用。（b）热失控：蓄电池在充放电过程中一般都产生热量。充电时正极产生的氧到达负极，与负极的绒面铅反应时会产生大量的热，如不及时导走就会使蓄电池温度升高。蓄电池若在高温环境下工作，其内部积累的热量就难以散发出去，就可能导致蓄电池产生过热、水损失加剧，内阻增大，更加发热，产生恶性循环，逐步发展为热失控，最终导致蓄电池失效。VRLA铅酸蓄电池由于采用了贫液式紧装配设计，隔板中保持着10%的孔隙酸液不能进入，因而电池内部的导热性极差，热容量极小。VRLA铅酸蓄电池之所以在高温环境下易发生热失控，是由于安全阀排出的气体量太少，难以带走电池内部积累的热量。热失控的巨热将使蓄电池壳体发生严重变形、胀裂、蓄电池彻底失效。（c）内部短路：由于隔膜物质的降解老化穿孔，活性物质的脱落膨胀使两极连接，或充电过程中生成枝晶穿透隔膜等引起内部短路。深放电之后的蓄电池，其吸附式隔板易出现铅绒或弥散型沉淀，或形成枝晶，导致正负极板微短路。由于VRLA铅酸蓄电池的负极冗余设计，充电的初、中期充电效率比正极板充电效率高，所以在正极板析氧之前，负极已生成足够的绒面铅，用于使氧进行再化合。在制作蓄电池过程中，以负极活性物质的量作为控制因素，可以减缓电池性能的恶化。除此而外，目前在铅酸蓄电池中还普遍采用添加剂，用以改善蓄电池性能，如添加锌、镉、锂、钴、铜、镁等金属盐或氧化物。这些添加剂均为强电解质，在放电过程中其离子向负极迁移。这些金属离子起化合配位作用，降低形成硫酸铅的概率，既使形成了硫酸铅，也比较松软，易于软化或还原。在电池的使用中，应尽量保持温度恒定，避免温度的大起大落，减少枝晶析出产生的机会。综上所述，高温对蓄电池失水干涸、热失控、正极板栅腐蚀和变形等都起到加速作用，低温会引起负极钝化失效，温度波动会加速铅酸蓄电池内部短路等等。这些都将影响电池寿命。（2）温度对铅酸蓄电池容量的影响（a）第一类早期容量损失，缩写为PCL-Ⅰ。铅酸蓄电池容量突然损失的主要原因是阻挡层。由于Pb-Ca-Sn-Al合金再生缺陷和半导体效应，正极活性物质与板栅间形成了单项导电的阻挡层，导电层组成成分较为复杂并具有半导体特性的晶体，对温度极为敏感，通过对腐蚀层的研究，改进了电池的合金和铅膏添加剂等半导体掺杂制造工艺，其原理是半导体晶体对纯度极为敏感这一原理，一个ppm的掺杂能增加103的电导率，通过合理的掺杂工艺，这种失效模式基本上解决。（b）第二类早期容量损失，缩写为PCL-Ⅱ铅酸蓄电池容量缓慢损失的主要原因是不是通常所见的板栅腐蚀硫酸盐化或活性物质软化脱落等，而是由于多孔活性物质膨胀引起颗粒之间互相隔绝，受温度影响很大，由PbO2→PbSO4软化过程中膨胀收缩，引起的正极活性物松软和络合结构的不可逆损坏，逐渐软化脱落。造成正极板以较低的速度损失容量。（c）第三类早期容量损失，缩写为PCL-Ⅲ铅酸蓄电池无法充电的主要原因是由于负极添加剂活性降低或损失，而使充电困难，充电接受能力差，再充电不足，从而导致负极板底部1/3处硫酸盐化而造成的。在常温10h--20h率放电时电池容量受限于正极，在低温（-15℃以下）和高倍率（1h率以上）放电时电池容量收限于负极，低温大电流放电或受高温影响负极极易发生钝化，其原因是放电过程中有大量的离子要在很短时间内进入酸液，而形成晶核需要一些时间，这样在电极表面的呈现过大的饱和度，与正常放电电流密度相比就能够形成数量多而尺寸小的晶核，使得电极表面变成孔隙小的致密层，阻碍放电反应的继续进行，类似于部分放电量消耗于这种硫酸铅盐层上。高温促使负极添加剂的分解或溶解在电解液中而早期损失，使负极绒面铅钝化。在低温状态，溶解度明显降低，即使放电电流与低温低浓度时相同、放电时产生的速度不变，但相对于低平衡溶解度来说提高了饱和度。在低温状态，还导致酸液的粘度增加，导致酸扩散速度下降，增大蓄电池的内阻，高速传质性能变坏。钝化层厚度与硫酸铅的结晶尺寸、孔隙率和孔径结构有关，即与硫酸铅的溶解度以及铅电极表面溶液饱和度有关。在低温及电流密度、硫酸浓度高时，使负极表面溶液饱和度过高，钝化层随之变厚。所以很易造成蓄电池因放电困难而失效。负极板的钝化表现为既充不进电也放不出电。温度对上述(一)(二)(三)诸因素影响的机理及程度涉及到电化学热力学、电化学动力学、半导体物理学、金属物理学等方面的理论，仍在进一步研究之中。但高温确实会使蓄电池中的添加剂氧化失效，引起活性物质脱落，负极钝化使蓄电池早期的容量衰减速度加快。这种早期容量衰减，将导致铅酸蓄电池寿命缩短，可靠性变差。（3）正极板腐蚀根据化学热力学原理，环境温度过高，铅酸蓄电池放电深度越大，电解液密度越高，板栅腐蚀越剧烈；储存时间愈长，腐蚀层越厚。伴随着板栅腐蚀而产生板栅变形拉伸，其结果使板栅抗张强度变小。活性物质脱落，当腐蚀产物变得很厚或板栅变得相当薄时，板栅电阻增大，使电池容量下降，容量下降20%蓄电池就算失效了。如前所述，由于蓄电池是一个电化学容器，对环境温度变化极为敏感，环境温度既影响蓄电池的寿命也影响蓄电池的容量，这两者是密不可分的。5.1.6胶体铅酸蓄电池（阀控式铅酸蓄电池）发展短短几年时间，铅酸蓄电池在太阳能灯具中得到了广泛应用。鉴于VRLA铅酸蓄电池在自然环境下全天候工作而面临的耐候性较差（-20℃~40℃）的问题，成功地开发出自主知识产权的耐候性较好（-40℃~60℃）的胶体蓄电池,胶体蓄电池也属于阀控式铅酸蓄电池，胶体铅酸蓄电池采用了富液设计方案，比VRLA铅酸蓄电池多加了20%的酸液，极群组周围及槽体之间充满凝胶电解质，有较大的热容量和好的散热性。胶体蓄电池受温度影响较小，能克服以上三种早期容量损失，并具备以下优势：（1）采用特殊的非液非胶电解质，提高装配压力（正极板表面的压力），装配压力25—60Kp，抑制正极板活性物质的软化脱落。设计合理的控制阀，增加氧气复合，减少失水，提高电池寿命（在各种环境中可以提高寿命二倍以上）。（2）采用特殊的板栅结构（正负板栅质量比1：0.75）、工艺手段及材料配方，有机和无机添加剂。形成微孔结构的板栅，增大了电极与电解质的反应界面，降低接触电阻，减小了电极的极化，大幅度提高电极的活性物质利用率、提高了充电效率，增大电池放电和输出功率，有效的成倍延长电池寿命，全面提高电池性能。（3）正极板栅采用Pb-Ca-Sn-Al-Sb-Zn-Cd其中的组合多元合金，负极板栅采用铅钙锡铝高氢过电位材料板栅和涂膏成型的电极板，容量大、寿命长。铅锡多元合金集流排，内阻小，耐腐蚀，可经受长期浮充使用，分析纯极电解质，自放电小。图5-4胶体铅酸蓄电池（4）采用新技术、改进板栅材配方，提高抗蠕变及抗腐蚀性能，适当提高Pb-Ca合金中的Sn、Ag含量，可以提高抗蠕变性能。（5）采用低阻多孔PE隔板，极板设计要给电池壳中留出富液空间，酸液不外溢、不污染环境、不腐蚀设备机件，可以顺利进行气体阴极吸收。提高极群组的压力，紧装配，可以延长蓄电池寿命。（6）电池壳盖采用迷宫式特殊设计的透气阀，和特殊的添加剂，减少了水份的散失。（7）采用适当的添加剂，有利于保持负极的正常充电状态，避免负极硫化并减小负极自放电。所以在保持负极正常充电状态的同时，也降低了正极极化电位，从而降低了正极板栅的腐蚀速度，利于延长寿命。5.2功率的计算5.2.1耗电量的计算首先应计算出每天消耗的瓦时数(包括逆变器的损耗)：若逆变器的转换效率为90％，则当输出功率为1.03W时，则实际需要输出功率应为1.03W/90％=1.15W；若按每天使用8小时，为了防止有时候天气不好没有太阳，所以我们储存4天的电量。则耗电量为111Wx5x8=46Wh。5.2.2功率的计算计算太阳能电池板：花椒除了东北和新疆外基本上全国各地都是有产地的，但是陕西、云南、贵州和四川又是主产地，所以选择它们的气候信息进行对比。按每日有效日照时间为4.5（表1）小时计算，再考虑到充电效率和充电过程中的损耗，太阳能电池板的输出功率应为46Wh/4.5h/70%=14.6W。其中70％是充电过程中，太阳能电池板的实际使用功率表5-1全国各地太阳能总辐射量与年平均日照当量地区类别地区太阳能年辐射量年日照数标准日照下年平均日照时间（时）一宁夏北部、甘肃北部、新疆南部、青海北部、西藏北部6680-84001855-23333200-33005.08-6.3二河北西北部、山西北部、内蒙古南部、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部、新疆南部5852-66801625-18553000-32004.45-5.08三山东、河南、河北东南部、山西南部、新疆北部、吉林、辽宁、云南、陕西北部、甘肃东南部、广东南部、福建南部、江苏北部、安徽北部、台湾西南部5016-58521393-16252000-30003.8-4.45四湖南、湖北、广西、江西、浙江、福建北部、广东北部、陕西南部、江苏南部、安徽南部、黑龙江、台湾东北部4190-50161163-13931400-22003.1-3.8五四川、贵州3344-41909283-11631000-14002.5-3.1表5-2西安各个月份的气候状况气候资料1月 2月3月4月5月6月7月8月9月10月平均最高气温℃1961-19904.82.71420.425.831.63231.124.719.3平均气温℃1961-1990-14.119.424.826.325.319.413.8平均最低气温ikm℃1961-1990-4.2-13.818.821.620.515.59.8降雨量mm1961-19906.410.726.449.565.45192.866.7107.565.6降雨日数1961-19907.9平均日照时间H1961-19904.3表5-3成都各个月份的气候状况气候资料1月 2月3月4月5月6月7月8月9月10月平均最高气温℃1961-19909.52627.829.629.725.120.6平均气温℃1961-199016.52123.525.224.92116.9平均最低气温℃1961-199012.717.220.22221.618.414.5降雨量mm1961-19907.310.320.546.687.1102.8230.5223.7131.539.4降雨日数1961-19907.89.410.413.11211.77.8平均日照时间H1961-19902.1表5-4贵州各个月份的气候状况气候资料1月 2月3月4月5月6月7月8月9月10月平均最高气温℃1961-19908.99.829.132.532.628.422.5平均气温℃1961-199016.421.124.527.42723.117.6平均最低气温℃1961-199012.817.52123.42319.214.1降雨量mm1961-19903947.172.2164.4207.9196118.7122.566.3104.2降雨日数1961-19907.97.910.413.4139.2平均日照时间H1961-1990表5-5昆明各个月份的气候状况气候资料1月 2月3月4月5月6月7月8月9月10月平均最高气温℃1961-199023.524.623.823.923.922.520.3平均气温℃1961-19907.69.512.616.118.919.619.719.117.515平均最低气温℃1961-19909.113.916.316.815.914.211.5降雨量mm1961-199011.712.416.226.891.9173.2204.8205.9121.688.6降雨日数1961-19902.22.534.48.913.815.815.711.710.7平均日照时间H1961-19904.95.3蓄电池的选择因为电源是太阳能，而我们有不能保证在我们采摘花椒时，天气一定是晴天，所以我们是很有必要给太阳能花椒采摘器安装一个蓄电池的。已知电机的负载电流是0.22A的，即而电机的额定电压是9v，为了满足这些条件。我选择了12v系列蓄电池：外型尺寸：238*128*200*223（mm）表示有六个2v的单格电池组成，额定电压为12v。额定容量为75A·h的启动型干荷蓄电池。5.4太阳能电池板的计算在标准测试条件下太阳电池外部回路上连接在标准测试条件下太阳电池外部回路上连接最佳负载时的最大能量转换效率。（5-1）η：转换效率：转换效率Pm：最大功率（峰值功率）最大功率（峰值功率）Pin：太阳入射功率标准测试条件地面用太阳电池测试标准条件（STC）：（a）大气质量为AM1.5时的太阳光谱分布（b）太阳辐照强度为（c）温度为25±1℃注：在STC条件下测试的电池功率叫“峰瓦峰瓦”。单位换算1MW=1,000,000W1W=1000mW1m=100cm标准光强1000W/m2等同于0.1W/cm2100mW/cm2标准光强：最大功率：入射功率：（s：光板面积，100：标准光强）计算所需的光板面积：（5-2）则：（5-3）5.5太阳能光板的转换率5.5.1常规和非常规半导体电极的光电化学太阳电池用于光电化学太阳电池中半导体电极研究的材料包括有：Si、ⅡⅥ族化合物CdX（X=S、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。同固体太阳电池一样，Si在光电化学电池研究中也是一个重点对象。Si是较理想的光电极材料，但在电解质水溶液中容易光腐蚀，其表面生成SiOX绝缘层使光电流急骤衰减。因此，克服光腐蚀是Si光电化学电池研究的主要内容。在n-Si电极表面化学沉积Au，形成Au与Si表面渗合层，可减少光腐蚀；用电沉积法将聚丁基紫精修饰于p-Si电极表面，也使光腐蚀明显下降。n型和P型外延硅（n／n+-Si、p／n+-Si）电极由于电荷分离效率高，其光电流较大。通过表面修饰几个纳米厚的金属层（Pt、Ni、Au、Cu、Co），进一步提高光稳定性，可以获得光电性能优越的光电化学电池。其中以真空蒸镀或溅射方法在外延硅表面修饰Pt或Ni以及Pt／Ni（Ni／Pt）复合层的效果较好，如Pt／n／n+-Si和Pt／p/n+-Si电极在KBr-Br2电解液中光电转换效率分别达到12.2%和13.6%，用MOCVD方法在p／p+-Si电极表面覆盖TiO2薄膜形成异质结结构，不仅提高了光稳定性能，而且在一定电压下光电流增大了10倍。用同样的方法覆盖α-Fe2O3，和ZnO薄膜也得到了类似的结果。用LB膜技术在n-Si电极表面修饰排列有序的Pt团簇（平均直径为4nm），其开路电压达到了0.685V。金属和金属氧化膜的表面修饰加速了光生空穴的界面转移，从而有效抑制了电极自身光腐蚀，同时也提高了光电性能。Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体CdX（X=S、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热解法等制备，得到转换效率较高的多晶或薄膜光电极，这些方法价格低廉、简单易行，多数还可适用于大面积制备。在CdX（X=S、Se、Te）化合物中CdS的能隙较大（Eg=2.4eV），只能吸收小于517nm波长的太阳光，曾用压片烧结、涂敷、喷涂热分解制备各种CdS电极并用RuS2进行光谱敏化，将吸收截止波长由517nm延长至890nm，但转换效率都很低，因此研究的重点是CdSe和CdTe电极。用涂敷法在各种金属基底（钛、铬、钼、铂）、非金属基底（二氧化锡、石墨、破碳）上都可成功制备性能稳定、重现性好的CdSe薄膜电极。在金属基底CdSe薄膜结合力强，界面电阻小，经过电极表面的化学刻蚀和光化学刻蚀获得了7％的能量转换效率。进一步控制热处理气氛中的含氧量使转换效率提高至8.3％。制备中用Te替代部份Se形成CdSe和CdSexTe1-x薄膜电极，其光谱响应范围与X值大小有关，当调X=0.63时能量转换效率达到12.3％。CdTe具有吸收太阳光能的最佳能隙（Eg=1.4eV），其单晶电极在多硫溶液中达到15.6％的光电转换效率，但用电沉积法制备多晶薄膜电极却只获得3.6％的转换效率。比较CdX（X=S、Se、Te）光电极性能不难看出，CdSe和CdSexTe1-x薄膜的光电性能和稳定性能优于CdS和CdTe电极，是光电化学研究中有发展前途的光电极材料。在CdS和CdTe薄膜的研究中证明了表面修饰也是改善光电性能的有效措施，研究Au、Pt、Ru和Pd等贵金属修饰CdS和CdTe电极，发现贵金属在电极表面的构型不同会产生不同效果，大量的Pt岛覆盖电极表面降低了电极界面光电化学反应的极化，增大了反应的交换电流，是电极界面光电催化的最佳构型。Pd的修饰形成了金属致密层，结果使光电性能下降，产生与Pt修饰相反的效果。用LB膜技术实现分子取向、排列结构和浓度可控的条件下研究具有不同氧化还原电位和传递电荷性质的二茂铁衍生物修饰CdSe，薄膜电极，将电极表面的微观分子设计与宏观电极过程联系起来，为修饰分子的优化提供大量信息，使半导体电极表面修饰技术有很大的提高和发展。对Ⅲ~Ⅴ族化合物半导体主要研究GaAs和InP单晶电极，它们具有吸收太阳光能的最佳带隙，可以构成高效的光电化学电池。n-GaAs电极在多硒溶液中有较好的稳定性，经H2SO4-H2O2混合溶液的反复刻蚀，再吸附Ru3+离子后有效降低表面复合，使光电转换效率大大提高，接近于20％。n-InP电极的晶面取向和掺杂浓度对光电性能有很大影响，掺杂浓度低（1016cm-3）的光电流、光电压优于掺杂浓度高（1018cm-3)的电极；在Fe2+/Fe3+酸性溶液中，性能稳定，转换效率达到18％，p-InP电极在V2＋／V3＋溶液中表面经Ag修饰和电镀Cu改善背面接触后效率达到18.8％。过渡金属二硫族层状化合物具有特殊的电子结构，其过渡金属存在分离的d轨道，受激电子在d-d轨道间跃迁，最大跃迁能为1.1eV-1.8eV，而且不影响化学键，因此其光稳定性好。研究天然晶体MoS2电极发现其光电性能存在各向异性的特征，电极的表面性质是决定光电性能的关键因素，通过离子特性吸附和表面活性剂处理都能明显提高光电流和光电压，FeS2电极则可通过界面配位化学途径来改善其光电性能。在三元半导体化合物中研究了CuInS2和CuInSe2及其固溶体的烧结多晶电极，通过固溶体的组成变化来改变电极的能隙及电子亲合势，得到CuInS2（1.51eV）、CuInS1.5Se0.5(1.44eV)、CuInSSe（1.24eV）、CuInS0.5Se1.5（1.13eV）和CuInSe2(1.04eV）不同组成的三元化合物多晶电极，在多硫溶液中以CuInS2，电极的光电流、光电压最大，转换效率达到1.8％，而且间断运行一年光电性能未见衰减。AgInSe2电极在多碘溶液中的光电化学性能优于CuInSe2。氧化物半导体一般具有很好的光稳定性能，但存在的问题是能量转换效率较低，因此研究的重点是通过光谱敏化、离子掺杂和光电催化作用来改善其光电性能。最有代表性的是TiO2，热氧化制备的多晶薄膜电极在通氮无氧的K4Fe（CN）6和HClO4混合溶液中浸渍，由于K4Fe（CN）6与TiO2表面中的Ti4＋形成电荷转移配合物，使TiO2的吸收光谱由400nm扩展到600nm以上。另外，还研究了铱和钴对TiO2电极光电化学反应的催化作用，铱以大量微孔的透光层形式，钴则以高度分散的微岛固定在TiO2电极表面，都能快速捕获光生空穴催化界面光反应氧化，将钴微粒载在多孔铱层产生了更大的光电流，说明铱和钴的联合作用比单一催化剂有更好效果，ZnO电极只能吸收紫外光用染料罗丹明日B进行光谱敏化，明显增加了可见光波长区（400nm－700nm）的光电流。α-Fe2O3薄膜电极用二茂铁化学真空沉积（VCD法）在高纯Ti层上制备，其工作光谱扩展至670nm，比α-Fe2O3能隙相对应的550nm红移了120nm，这是归因于在热处理过程中Ti由基底扩散而导致的掺杂效应。5.5.2有机光敏染料的光电能量转换自然界绿色植物的光合作用是已知最为有效的太阳光能转换体系。许多人利用类似叶绿素分子结构的有机光敏染料设计人工模拟光合作用的光能转换体系，进行光电转换的研究。由于有机光敏染料可以自行设计合成，与无机半导体材料相比，材料选择余地大，而且易达到价廉的目标。如金属卟啉和金属酞菁是大Π共轭有机分子与金属组成的配合物，具有较高的化学稳定性，能较强吸收可见光谱，作为有机光伏材料，它是目前广泛研究的对象。（1）单层有机光敏染料电极用真空沉积、旋转涂布和电化学沉积等方法，将有机染料修饰在金属、导电玻璃或半导体表面上，在电解液中研究其光电性能。在不同金属卟啉化合物中以Zn、Mg为中心金属的光电性能最佳。不同功能取代基如羟基、硝基、胺基、羧基、甲基等对光电性能有明显的影响，说明可以通过改变功能取代基的种类和位置来优化其光电性能。金属酞菁化合物的光电性能也与中心金属密切相关，三价、四价酞菁化合物（AlClPc，GaClPc，InClPc，SiCl2Pc，GeCl2，TiOPc，VOPc）比二价金属酞菁化合物（ZnPc，MgPc，CoPc，SnPc，PbPc，FePc，NiPc）的光电性能优越，这是因为三价、四价金属酞菁的光谱响应较宽，而且分子中的氯原子和氧原子有利于电子传递。酞菁铜的电化学聚合膜由于聚合物分子比单体具有更大的共轭体系，电子更易于移动和迁移，而且电聚膜与垫底接触电阻小，因此表现出比其单体更佳的光电性能。除有机光敏染料外，影响光电性能的还有电解液的酸碱性和氧化还原性质以及环境中的氧化性和还原性气氛等。（2）双层有机光敏染料电极金属卟啉的最大吸收在410nm左右，大于410nm波长的光吸收较弱，金属酞菁则在600－700nm波长有较强的光吸收，将不同光谱响应的二种有机染料如四吡啶卟啉或四甲苯基卟啉与酞菁锌或酞菁铝组合形成双层结构电极，扩展了吸收太阳光谱响应范围，产生明显的光电性能加合效应。具有不同半导体性质的有机光敏染料可以构成双层有机p/n结电极，即有机固态异质结太阳电池，如n型的北红类与P型的酞菁类化合物组成的有机异质结太阳电池ITO／MePTC／MPc／Ag（MePTC为北红衍生物，MPc为InClPc、VOPc、GaClPc、TiOPc、H2Pc、ZnPc），其吸收光覆盖了400nm900nm波长的可见光能（MePTC吸收400nm一600nm，MPc吸收600nm900nm波长的可见光），使光电流从单层染料电他的几微安增大到几百微安，电他的填充因子和光电转换效率也显著提高，吸收和荧光光谱研证明MePTC向MPc进行了能量转移，各种MPc在真空镀膜中形成不同分子排列的结构对激子迁移产生影响，因此表现出不同的光电特性。在InClPc膜中进一步用VOPc掺杂改善了InClPc固体膜的晶体状态，使光电流和填充因子呈现出增效行为。说明有机分子的掺杂是提高有机太阳电池光电转换效率的一条有效的途径。（3）有机光敏染料分子的有序组合有机光敏染料（S）和电子给体（D）或受体分子（A）键合的多元光敏偶极分子（S-D-A）作为模拟光合作用反应中心的模型化合物。近来研究非常活跃，如酞菁与球烯分子C60构成电荷转移复合物。卟啉、酞菁与电子受体葱酮键合的二元分子由于加速了分子内光敏电子转移速度，使光电流和光电压都比单元染料分子大。为更好模拟植物光合作用在高度有序体系中进行的高效光能转换，设计合成一系列的二元、三元及四元光敏偶极分子，如卟啉-紫精（S-A）、卟啉-紫精-咔唑（S-A-D），卟啉-对苯二酯-紫精-咔唑（S-A1-A2-D）酞菁-紫精-二茂铁（S-A-D）等。用LB膜技术将分子进行有序组合，研究不同结构的多元偶极分子通过多步电荷转移过程，提高了电荷分离效率，使它们的光电流和光电压：四元分子>三元>二元.>单元分子。进一步对分子的排列、空间取向和分子问距等进行优化使电荷分离态寿命延长至微秒级。这不仅为人工模拟光合作用光能转换的研究提供了大量的科学信息，而且设计合成了一大批性能稳定、结构新颖的多元光敏偶极分子，为深入研究有机光敏染料体系的能量转换和发展有机／纳米半导体复合光电材料奠定了良好基础。5.5.3纳米结构半导体电极的光电能量转换九十年代以来随着纳米结构半导体材料的发展，为新一代光电转换材料的研究指明了方向。半导体纳米结构材料具有不同于体材料的一些光学、电学特性，对光电化学能量转换过程产生重要的影响，随着新材料的引进，相关的新概念、新理论和新技术也大大充实了半导体光电化学研究内容，成为当前光电化学研究中最为活跃的一个新领域，半导体光电化学的研究进入了一个新阶段。（1）超晶格量子阶半导体电极超晶格量子阶半导体是由两种不同的半导体材料交替生长厚度为几到几十原子层的超薄层，形成一个比原晶格大若干倍的新周期结构的人工半导体晶体。超晶格量子阱半导体电极具有独特的晶体结构和优于体材料的光电特性，如激子二维运动受限，不仅寿命长而且光吸收性能强，在相同浓度下载流子迁移率比体材料大，热载流子寿命大，增强了热载流子效应等，有利于提高光电转换效率，而且可以在单分子层水平上通过选择半导体材料的种类，调节势垒高度、势阱层的厚度等结构参数，设计生长高量子产率的超晶格量子阱电极。实现“能带工程”在光电化学能量转换中的应用。用分子束外延法设计生长适合于光电化学研究的晶格匹配型GaAs／A1xGa1-xAs量子阱电极（两种半导体材料的晶格常数之差小于1%）和应变型InxGa1-xAs／GaAs量子阱电极（两种半导体材料的晶格常数之差大于1%），研究其在非水溶液中的光电转换性能以及阱宽、垒宽、外垒及周期等因素对光电性能的影响。在室温下观察到对应于激子强吸收的光电流峰，随量子阱宽度从10nm减小到5nm，量子阱内能级分离程度增加，激子光电流峰明显蓝移，呈现显著的光电化学量子化效应和强激子光吸收性能，而阱宽10nm的单量子阱光电流量子产率与阱宽5nm的单量子阱量子产率基本相同，表现出二维激子的光吸收与量子阱宽基本无关的特性。但外垒厚度的增加，不利于光生载流子的界面电荷转移，激子强吸收效应退化。在多量子阱电极中的各量子阱是独立地参与界面电荷转移的，多量子阱电极的量子产率基本上可认为是各量子阱的加和。在以上研究的基础上成功设计生长了50周期四种不同阱宽GaAs／AlxGa1-xAs多量子