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1我校在太阳能电池方面的核心发明专利简介报告人:李建生(教授、科技特派员)所在单位：天津职业大学生物与环境工程学院2目录•1.太阳能发电行业现状和技术瓶颈•2.我校在太阳能电池方面的核心发明专利简介•3.知识产权战略和发明专利申请交流•4.太阳能高效利用合作开发课题镀增透膜玻璃太阳疫苗冰柜双面太阳电池1.太阳能发电行业现状和技术瓶颈1.1太阳能发电行业现状•太阳能光伏发电因其清洁、安全、便利和高效等特点，已成为世界各国大力发展的战略性新兴产业，硅太阳能电池占全球光伏发电市场约90%的份额。•中国大陆太阳能电池产量占全球产量的60%左右。2013年中国太阳电池组件产量约26GW，同比增长13%，连续7年位居世界首位。2013年中国新增太阳能发电装机量超12GW，累计装机量超20GW。•目前单晶硅太阳能电池的实验室光电转换效率已经从20世纪50年代末的10%提高到目前的25%，多晶硅太阳能电池的实验室光电转换效率也达到20.4%。最高光电转换效率不断刷新，美国已达到40.2%，日本利用量子点的理论模拟值达到75%。3太阳能建筑太阳能空调太阳能汽车有光就有电•目前商业化的单晶硅太阳能电池光电转换效率达到19%，多晶硅太阳能电池光电转换效率达到17.5%。•世界各国推出了各种支持太阳能产业发展的战略计划和鼓励措施，例如，美国的“百万太阳能屋顶计划”，中国的“金太阳计划”，已取得显著成效。•随着传统能源价格上涨和太阳能发电技术进步使发电成本的降低，预计10年后太阳能发电可摆脱政策性价格补贴实现平价上网，2030年太阳能发电将占世界能源供给的10%。4高原太阳电站沙漠太阳电站海上太阳电站屋顶太阳电站公路太阳电站大棚太阳电站滩涂太阳电站住宅太阳电站5太阳能发电并网系统发电直接上网,系统相对简单，包括太阳能电池组件、逆变器和控制开关;卖电价格按国家补贴价,0.9-1.0元/度，用电价格按当地市价,0.4-0.6元/度，但需要办入网许可。太阳能发电独立系统带有蓄电池,系统相对复杂，包括太阳能电池组件、蓄电池、逆变器、插座和控制开关，设备成本1.0-1.3万元/KW;蓄电池设计寿命仅3-5年,大大低于太阳电池设计寿命25年。硅光电池光谱响应图太阳光光谱图1.2太阳能发电的技术瓶颈6•目前太阳能发电成本仍是传统能源发电成本的3-8倍，太阳能发电成本决定着太阳能电池大规模应用推广的速度。降低太阳能发电成本的关键是提高太阳能电池的光电转换效率和制造成本。•影响晶体硅太阳能电池效率的主要因素是光学损失和电学损失两个方面。光学损失主要是光反射、光遮挡损失和电池材料本身的光谱效应特性。目前太阳能电池主要对太阳光中的可见光灵敏，紫外光和红外光照射使电池发热而降低光电效率，采用纳米光转换技术可成倍提高太阳能电池光电转换效率。•影响制造成本的主要因素是原料成本和制造工艺技术的复杂程度。•太阳能电池市场和原材料两头在外局面仍然未能根本改变，一遇到西方国家的“双反”就使大批生产企业停产倒闭,而许多高附加值材料长期依赖进口，严重影响生产成本降低。例如，太阳能电池电极银浆成本占组件成本的17%，几乎完全依赖进口。•太阳能电池受使用环境影响大，在沙尘和有机污染污存在下，效率降低10%-30%，维护管理成本较高。•进一步大幅提高光电转换效率的技术难度极大，难有革命性的改进措施，许多改进措施缺乏经济性，需要从点滴技术改进积累入手提高光电转换效率。电池受灰尘污染电池受尾气污染电池受复合污染反倾销反补贴调查82.我校在太阳能电池方面的核心发明专利简介2.1硅太阳电池自清洁减反射双功能涂料太阳能电池玻璃的单面反射率约4%，在其表面涂覆高增透纳米减反射膜，可提升晶体硅光伏组件功率3%左右。太阳能电池使用中玻璃盖板逐渐为灰尘或工业污染物覆盖降低了透光率,使电池效率下降10%—40%,玻璃表面污染物频繁机械和人工清洁成本很高，且易损伤电池。太阳能玻璃减反射和自清洁功能往往是抵消的，双功能涂料稳定性又很差，通常采用镀双层膜的方法，工艺复杂和成本高。项目组与企业合作采用复合作用防污机理开发专利技术（CN103627227，2014-03-12），使镀膜玻璃静电排斥带负电荷的灰尘，同时光催化分解膜表面吸附的工业污染物，同时实现自清洁和提高玻璃透光率目的，已建成中试生产装置。镀多层膜玻璃电池组件结构电池人工清洁本发明太阳能玻璃自清洁减反射涂料中以聚合二氧化硅作为减反射主要组分，低反射二氧化钛作为减反射辅助组分和光催化剂，掺锑二氧化锡、磷酸钛、磷酸硅、磷酸、磷酸锡锑作为自清洁增效剂、抗静电剂和减反射膜强化剂，以去离子水为溶剂。本发明涂料生产方法是在硅酸乙酯水解生成的疏松二氧化硅核上包覆锐钛型纳米二氧化钛光催化剂和掺锑二氧化锡抗静电剂和其它增效剂组分，从而解决了现有太阳能玻璃减反射涂料的增透性和自清洁性能相互抵消的问题，可提高和稳定太阳能电池的发电效率，见附件专利说明书。围绕本核心发明专利,还申请了相关专利—一种太阳能玻璃减反射防污涂料及其生产方法(CN103627226A,2014-03-12)采用磷酸二氢铝为涂料固化剂，提高了镀膜玻璃的耐候性。自清洁涂料自清洁镀膜玻璃自清洁太阳电池102.2硅太阳电池自清洁减反射光转换多功能涂料目前太阳电池的最高光电转换效率仅25%，主要原因是太阳电池对占总能量58%的紫外光和红外光响应很差。硅纳米晶或某些稀土荧光材料可以吸收紫外光发射可见光从而实现光波长转换，通常称为下转换发光。一般无机荧光材料需要在1000℃以上活化才能荧光发光，而稀土铕（Eu3+）或(Tb3+)在玻璃钢化温度下处理就能荧光发光。日立化成公司在太阳能电池封装用EVA膜中添加丙烯酸树脂包裹的紫外光转换材料，可提高光电转换效率2.2%。因为紫外光易为玻璃所吸收，能入射到光转换膜的紫外光很少，其商业化应用时光转换产生的效果降低。国外专利也设计将下转换材料添加到电池背板材料中，在光反射的过程中实现紫外光转换，同样存在已被玻璃吸收的问题。太阳光谱图紫外荧光材料电池组件结构•项目组针对现有技术存在的问题,还开发一种太阳能电池玻璃自清洁减反射光转换多功能涂料专利产品（CN103627227，2014-03-12），在太阳电池玻璃涂料中添加稀土荧光材料，将太阳光谱中近紫外光转换为可见光，提高太阳电池光电转换效率2.5%-5.0%。该项目已获得天津市科委科技特派员专项资金支持开发。•本发明以纳米二氧化硅作为减反射材料，采用铋(Bi)铽(Tb)掺杂二氧化钛光催化剂,它同时还作为自清洁材料、光转换材料和减反射辅助材料。•涂料膜层自清洁和光转换功能的激活与玻璃钢化同步完成,避免了纳米粉体材料高温活化时的凝聚烧结,简化了制备工艺。•本发明在少量光催化剂存在下和太阳光照射下就能实现自清洁减反射光转换功能，稳定和提高太阳电池玻璃透光率，见附件专利说明书。11玻璃自清洁原理发明专利申请多功能玻璃电池开发宽光谱太阳电池，将占总能量50%的太阳红外光转换利用，实现上转换发光，以提高光电转换效率是行业人士的梦想和追求。研究发现稀土铒（Er3+）镱（Yb3+）敏化的NaYF4等材料，可吸收二个近红外光子，发射一个可见光光子，并具有较好的上转换发光效率。国内外开发在太阳能电池上再增加光转换器和反射层实现光转换和提高光电转换效率。项目组还开发了一种太阳能电池玻璃减反射光转换增效涂料专利技术(201410289472,2014-06-23)，将光转换剂加入减反射涂料中，解决了现有技术存在的光转换材料制备困难和应用工艺复杂的问题。本发明涂料由减反射组分、潜伏型光转换组分、膜层稳定和增强剂、镀膜调节剂和溶剂水组成。涂料膜层钢化形成上下光转换材料[MgYbF5:Er3+,Tb3+]和[MgYb2SiO6:Er3+,Tb3+]，可将入射的近紫外光和近红外光转换为太阳电池灵敏的可见光。12宽光谱太阳电池上转换发光原理镀膜玻璃透光率2.3硅太阳电池低成本包银铜粉和导电浆料在光照的条件下太阳能电池产生电流，通过栅线和电极将电收集起来并传输出去。电极是将铝浆丝网印刷在硅片背面，将银浆印在硅片正反面烧结制成的。太阳能电池正面银浆主要由银粉、玻璃粉粘合剂、有机载体和添加剂四部分组成，银粉作为导电介质占银浆质量的75%，决定银浆的电性能。玻璃粉在高温时熔融，蚀刻减反射膜，并在硅基片和银电极间形成连接。正面银浆比背面银浆技术要求高：1）能够穿透减反射膜；2）高宽比大,高导电性能；3）高的线分辨率,光遮挡小；4）有良好的焊接性能,目前还没有国产正面银浆。项目组开发了一种硅太阳能电池正面电极无铅银浆及其制备方法(2014104320244,2014-09-17),它不含有玻璃粉，其成分为微细银粉、减反射膜腐蚀剂、有机载体及添加剂，能够降低电极与硅片接触电阻，提高了电池的电性能电池侧视图正面电极背面电极栅线正面电极银浆显微电极栅线•太阳能电池导电银浆由于原料银粉成本较高，期望能开发出低成本的复合导电浆料,以减少贵金属用量。•项目组又开发了低成本的包银铜粉和导电浆料专利技术（2014104303094，2014-08-29），以铜为核、银为壳、中间层为铜-锡-银合金的球形微细金属粉为导电组分，其导电性能与高纯银粉浆料相当，可大大降低电浆料成本。•本发明银包铜粉由乙醛酸或乙二醛为还原剂在碱性条件下，分步还原硫酸铜、硫酸亚锡和硝酸银溶液制得。其银层包覆结构完整致密，抗氧化性良好。当银包铜粉中银的质量百分比达到30%时，在700-800℃烧结温度下和20分钟烧结时间下几乎无氧化增重现象,见附件专利说明书。•围绕本核心发明专利,还申请了银粉制备的相关专利,一种太阳能电池导电银浆用高密度银粉的生产方法;一种太阳能电池高密度单分散的生产方法等。14球形银粉照片银粉显微照片显微正面银电极152.4太阳能污水净化装置大中城市景观河道水污染比较严重，自净化能力差，定期清淤后不久河道又会出现了大面积的淤积，污染治理成本高。利用太阳能电池发电，电能带动水泵抽取河道底层贫氧水至水面，加快水体表面氧更新，降低水体的COD、BOD和氨氮含量，可实现河道水体自我修复。若将多余电能蓄存于蓄电池中，可夜间照亮河道作为景观。太阳电池用于景观河道，可有效提高河道自净化能力，降低治污成本，节约景观用水和提高环境质量。围绕该思路可进行一系列改进和创新。项目组一种太阳能污水净化装置获得专利授权，2013年获得天津市科技型中小企业创新基金支持，现进入产业化开发阶段。太阳河道景观太阳污水自净化太阳自净化原理太阳荷塘净化2.5教室太阳能空调系统•教室太阳能空调系统包括光热和光伏二种类型，夏季单冷空调市场广阔.•常规太阳能光伏空调是将光伏发电系统和制冷系统组合而成,需要采用蓄电池和逆变器，虽然技术成熟但运行成本高。•美的全球首发一款太阳能空调，取消了蓄电池的使用,太阳能充足时完全使用太阳能光伏发电供电，太阳能不足或夜晚时自动平稳接入市电。它使用150W功率有效太阳能发电，每年预计可节省200度电，预期价格比普通空调高千元。•格力利用太阳能直接驱动空调机组运行，省去光伏逆变上网的逆变损耗及进空调的整流环节损耗，提高光伏利用率约6%-8%，首次让中央空调不用电费。•项目组开发太阳电池材料，材料性能最直接的考核方式就是组装成太阳电池应用，并入空调系统和入网检验，可让众多师生享受凉夏和了解太阳能发电。16格力太阳能空调美的太阳能空调普通太阳能空调太阳空调市场广阔2.6太阳能利用奇思妙想17目前太阳能成本高于传统能源成本，但随着人们生活水平不断和环保意识的提升，求新求异的消费理念在高端消费群体中逐步形成，太阳能利用新产品已具有一定的市场份额，发展空间广阔。太阳能利用新产品开发是个漫长的过程，可以在国家政策支持下引导消费，边开拓市场，边改进技术，用市场需求刺激新技术开发，加快形成良性循环。这需要更多太阳能利用的奇思妙想，一项现在还不起眼的专利或许将来能获得巨大财富，以下创意或许可以激发您的灵感或开拓您的设计思路。太阳电池遮阳伞太阳电池停车场太阳电池游览车太阳电池游艇