家用光伏发电系统中钙钛矿太阳能电池的应用

潘 婧，张光华

（太原学院，山西 太原 030000）

随着社会经济的不断发展，可持续发展理念已经深入人心，这也使得如今各种清洁能源被广泛的得以应用，这其中就包括有取之不尽，用之不竭的太阳能。本文所研究的钙钛矿太阳能电池将可以对家用光伏发电系统进行有效的改善，从而降低整个系统的发电成本，促使更多的用户可以实现光伏发电系统的家用化，让用户最快速获得太阳能发电的经济效益。

1 钙钛矿太阳能电池的简介

对于整个钙钛矿太阳能电池的结构来说，钙钛矿材料只不过是用作于太阳能电池的活性层与吸收层，然后再与其他各种功能材料相结合，最终共同构成太阳能电池板。虽然过去因钙钛矿太阳能电池相关的技术水平不足，使得其光电转换率一直得不到保障，但近些年，随着业内人士的不懈努力，通过对太阳能电池的材料合成与相关技术的改良，如今钙钛矿太阳电池的光电转换效率已经得到了显著的提高，并且因其有着稳定、高校、便宜、便于制造等优点，因此可以想象，其未来一点会被广泛的应用到千家万户之中[1]。

2 家用光伏发电系统设计

（1）家用光伏发电系统的结构与特点。本文所设计的家用光伏发电系统是安放在能够被阳光长时间直射的位置，并且整个发电系统并不会并入到国家电网之中，是一种隔离式家用光伏发电系统，但却可以基本满足整个家庭的日常用电所需。在大结构上，整个家用光伏发电系统主要有钙钛矿太阳能电池板、逆变器、控制器、蓄电池等部分构成。整个系统并不会占据用户家庭态度的空间，并且安装非常方案、使用寿命也很长，在使用过程中还不会产生环境污染或者对周围生活的用户造成干扰，是真正意义上的无污染清洁能源。

（2）家庭用电量统计。一般来说，普通家庭的耗电量比较大的电器无非就是电视机、电脑、冰箱、空调、电磁炉几种，并且还要考虑整体成本与用户的用电富余问题，最终将整个光伏发电系统取值为4000W，并据此来进行本文的系统设计。

（3）太阳能电池板。鉴于如今应用比较普遍的晶硅太阳能电池板有着成本较高的缺点，所以为了能够最大限度的降低家庭光伏发电系统的整体成本，本文所设计的发电系统将会材料近些年才出现并且完善的钙钛矿太阳能电池板，并且为了能够充分保障家庭供电充足，首先需要对太阳能电池板的数量进行确定，以下为太阳能光伏发电系统发电功率计算公式[2]。

其中：P：整个光伏发电系统的总发电功率，kW。Ns：太阳能电池组串联的数量。Np：太阳能电池组并联的数量。Pmax：单个太阳能电池的最大发电功率，kW。

在光伏发电系统中，太阳能电池组的串联则可以对整个发电系统的输出电压进行实际调整，而太阳能电池组的并联则可以调整整个发电系统的输出电流，至于构成整个太阳能电池组的数量则可以对整个发电系统的输出功率进行调整。结合用户的实际用电情况，本文所设计的家用光伏发电系统有着12V的输出电压、6A的输出电流，总输出功率大概有4032W，整个发电系统的太阳能发电板的数量有56块。在进行太阳能电池板的正式安装的时候，还要保障所有太阳能电池板都能够处于阳光长时间直射的位置，以此来保证发电的稳定性与持续性，最大限度对发电变量进行控制。

（4）控制器。对于家用光伏发电系统的控制器，其主要由处理器、显示器以及各种相关的电子元器件共同组成。控制器在整个家用光伏发电系统的作用便是在太阳能供应不足，太阳能电池板所产生的电能不足以供应用户家庭所需的时候，控制蓄电池对逆变器进行放电，再加上控制器的实际质量水平将会在一定程度上决定蓄电池的使用寿命与工作情况，选择的时候一定要重视起其作用。所以在对控制器进行选择的时候，应先对整个光伏发电系统进行全方面的计算与了解，然后根据发电系统的实际总输出电压与电流大小进行选择，应将总输出电压与电流大小控制在控制器的阀值以下。

（5）蓄电池。一般在光伏发电系统中，其蓄电是需要与太阳能电池板进行配套使用的，其中太阳能电池板用于接收太阳能，并将太阳能转化成为电能，而蓄电池则会在太阳能电池板发电量充足的时候进行电能储存，而但太阳能电池板发电量不足时则会担当着电能供应补足的功能。因此在进行蓄电池选择的时候，还是选择交替蓄电池比较合适。

另外为了能够充分保障蓄电池的实际储存电量与供能效率能够满足实际用户所需，所以在进行蓄电池选择前还要根据用户的实际需求计算出蓄电池的实际总容量需求，该计算公式如下。

公式中：L：用户的实际耗电量，kW/h。D：每年中太阳能供应不充足的天数。DOD：蓄电池的最大放电深度，本文所设计的光伏系统中的蓄电池大概数值为0.8。E1：整个家用光伏发电系统蓄电池的能量转换效率，本文所使用的蓄电池的能量转换效率大概为0.9。E2：整个家用光伏发电系统电力传输过程中的电力损失系数，大概为0.05作用。

经过多方计算以后，最终得出C的数值大概为11KW/h，所以在进行实际选择的时候，可以选择12V/100A/h的免维胶体护蓄电池，并且为了能够满足实际用户所需，应该在整个光伏发电系统中使用10相关型号的蓄电池用于电力储存，这样便可以满足实际要求。

（6）逆变器。在家用光伏发电系统中，逆变器的作用便是将太阳能电池板与蓄电池所提供的直流电转化成为人们常用的220V/50Hz的交流电，以此来保证整个光伏发电系统能够正常为用户提供电力所需，因此其也是整个系统的核心部件之一。在进行逆变器选择的时候，最重要的参数还是要能够满足家用供电设备的总功率的实际需求，以下为逆变器所需功率的计算公式。

公式中：CN：家用光伏发电系统所需的逆变器功率，KW。K：用电安全系数，一般在计算过程中都会取值为1.2。m：光伏发电系统感性负载或者容性负载启动做引起的冲击电流的附加因子。P：家用光伏发电系统的实际负载功率，本文所设计的发电系统的负载功率为4000W。

在经过计算以后，得出逆变器的实际功率为4.75kW，因此在进行逆变器选择的时候，所选择的逆变器为电压转换区间为12V-220V，输出功率为5000W的逆变器，以此来保证实际用户家庭用电所需。

3 阻碍家用光伏发电系统中钙钛矿太阳能电池的应用的因素与展望

现如今，相关业内人士对钙钛矿太阳能电池的研究正在如火如荼，但鉴于该项技术发展时间还比较短，因此整体来说仍旧存在着诸多问题，这些问题的存在将会干扰钙钛矿太阳能电池的家用普及性，以下为如今钙钛矿太阳能电池仍旧存在的问题。

（1）钙钛矿电池材料有毒性。现如今钙钛矿太阳能材料的制造材料中普遍含有着铅这种有毒重金属，这也就造成了如今所制造出的钙钛矿太阳能电池大部分都含有着一点的毒性。当然相比较其他类型的电池中含有着砷、镓、碲、镉剧毒元素相比较，钙钛矿太阳能电池所蕴含的毒素并不算太过于剧烈，并且作为发电所用的太阳能电池，很多时候即使其所蕴含着毒素对于人们日常的生活也不会造成太大的影响，但却会给钙钛矿太阳能电池周围的环境造成比较严重的重金属铅污染。为解决这一问题，很多相关学者与研究人员都在对各种材料进行实验与研究，以期能够在寻找替代材料的时候还能保证钙钛矿太阳能电池能够正常运行，并且在如今已经取得了一定的进展。在近一段时间，美国西北大学中正式实现了利用Sn金属替代强金属的新型钙钛矿太阳能电池，有效的去除了钙钛矿太阳能电池中的有毒物质。但非常遗憾的却是，这一新型钙钛矿太阳能电池的光电转换率仅有着6%，并且太阳能电池的整体材料仍旧不太稳定，还需要以后进行全面的完善与升级。

（2）器件稳定性。虽然在如今的钙钛矿太阳能电池中不再使用传统的液态电解质，改用了固态的有机空穴传输材料，这样一来不仅有效的提升的钙钛矿太阳能电池的稳定性，还极大的简化的太阳能电池的整体制造工艺，从而有效的降低了制造所需的成本。这一点首当其冲的便是钙钛矿电池的使用寿命比较短，现如今使用寿命最长的钙钛矿太阳能电池的可使用时长也不过是1000h，而传统的太阳能电池可达到25年，两者之间的使用寿命仍旧有着巨大的差距，所以钙钛矿太阳能电池的各方面研究还需要在深入进行，如今要对其进行商业化与普及化应用还是有着很大的难度。

（3）产业化。若是将钙钛矿太阳能电池进行产业化，那么就需要保证其在生产与制造过程中可以连续得到数量众多的大面积钙钛矿薄膜，并且保证整个太阳能电池在进行组装生产的时候不需要在进行暗箱操作。然而现实却是，如今的钙钛矿太阳能电池应用比较广泛的制备方法为旋涂法，但这种方法往往只能用作于实验室生产与实验之中，却难以进行大面积、连续的钙钛矿薄膜生产，并且在生产过程中还无法充分保障钙钛矿薄膜的平整均匀度，因此仍旧需要后期的不断发展与改进才能够解决这一问题。

4 结论

虽然本文以钙钛矿太阳能电池在家用光伏发电系统中的应用作为研究对象，介绍了整个系统的构造与器件选择。但现实是如今钙钛矿太阳能电池仍旧存在诸多问题亟待解决，只有解决问题以后，钙钛矿太阳能电池才能够如图晶硅太阳能电池一样在家用光伏发电系统中得以广泛的应用。不过随着科学技术的不断发展，未来在家用光伏发电系统中钙钛矿太阳能电池的应用一定可以得以实现，并且相比较如今的晶硅太阳能电池的成本更低，更加受到人们的欢迎。