石墨在光伏电池中的应用

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近年来，随着全球对于可再生能源的需求不断增加，光伏行业得到了快速发展。作为一种优秀的导电材料，石墨在光伏行业中的应用也日益受到重视。

一、光伏产业用石墨制品的品种

石墨材料的来源分为天然石墨和人造石墨两类。尽管天然石墨优异的理化性能使之在各个科技工程领域受到重视和广泛的应用，但是天然石墨的粉体形态使其应用受到了很大限制，而人造石墨的各项性能则比较均衡，逐渐发展成为一项具有广阔市场前景的材料。

人造石墨负极材料是将针状焦、石油焦、沥青焦等原料在一定温度下煅烧，再经粉碎、分级、高温石墨化制成，其高结晶度是通过高温石墨化形成的。以天然石墨作主要材料或辅助原料按照人造石墨生产工艺制备的炭石墨制品已很多，有的甚至已经形成较大的产业。

以石油焦，沥青焦作原料的石墨制品特性对比

光伏电池是将太阳能转化为电能的装置，其中石墨作为电极材料，可以提高光伏电池的转化效率。石墨制品在光伏产业领域应用就使用碳石墨类材料的类型来讲，有关业界专家认为，它有三个发展的阶段。

第一类型为模压（或挤压、或振动）成型工艺法的石墨制品。这类石墨制品在半导体、光伏产业领域应用的碳石墨材料产品群中，现在占有很小的一部分。第二类型为等静压成型工艺法的各向同性高纯石墨制品。它占世界整个半导体、光伏产业领域应用的石墨制品量的约有80%以上。第三类型为碳-碳纤维复合材料。这是一类在半导体、光伏产业领域应用中替代石墨材料的更新型的材料及制品。

二、光伏产业用石墨制品的特性

(1) 密度

石墨单晶的理论密度是2.26g/cm3，通常人造石墨的密度都在1.5-1.9g/cm3之间，固体的热解碳的密度可达2.1g/cm3，纯石墨的密度值是其质量除以体积 ﹙含所有的气孔﹚所得的商。

(2) 机械强度

人造石墨不同于其它大部分的材料，它的抗张、抗折和抗压强度会随着温度的升高而增大，当达到2200K之后，其强度会下降。在2200K时，石墨的强度值较室温时高一倍。

一般用于半导体、光伏工业的石墨材料的抗压强度达到90-150Mpa；抗折强度为40-65Mpa。

(3) 导电性

同其他金属不同，石墨的电阻温度系数是负数。石墨的导电性好。接近绝对零，只拥有少数自由电子，本身可充当绝缘体，随着温度的上升，其导电性会增加。石墨的导电性较许多金属要高，且随着温度的增加其数值下降。石墨的导热性随着其石墨化程度的不同而有所不同。

(4) 热膨胀性

石墨的热膨胀系数以3×10-6K-1级排列，即只相当于铁的1/4。不同牌号的石墨其热膨胀系数值会有所变化，也同石墨材料的各向异性及温度有关。

(5) 比热

石墨的比热在500K-1500K温度范围内变化较大，它随着温度的增高，也有较大的增高。而不同牌号的石墨，其比热变化很小。

(6) 耐温性

石墨不会熔化，但在3900K温度时能耐温至750K。石墨有非常好的抗热冲击性能，因此急速地加热或冷却，石墨都不会有问题。

(7) 可加工性

石墨容易加工，其边缘强度和耐磨性好。结构复杂、公差严格的部件都可以通过精加工获得。石墨具有很好的耐浸润性，它不会被熔化的玻璃或大部分金属浸润。

三、石墨电极在光伏电池中的应用

石墨电极是在电弧炉中以电弧形式释放电能对炉料进行加热熔化的导体，根据其质量指标高低，可分为普通功率、高功率和超高功率。石墨电极包括：

（1）普通功率石墨电极。允许使用电流密度低于 17A／厘米2的石墨电极，主要用于炼钢、炼硅、炼黄磷等的普通功率电炉。

（2）抗氧化涂层石墨电极。表面涂覆一层抗氧化保护层的石墨电极，形成既能导电又耐高温氧化的保护层，降低炼钢时的电极消耗。

（3）高功率石墨电极。允许使用电流密度为18～25A／厘米2的石墨电极，主要用于炼钢的高功率电弧炉。

（4）超高功率石墨电极。允许使用电流密度大于 25A／厘米 2的石墨电极。主要用于超高功率炼钢电弧炉。

石墨电极在光伏电池中的应用主要是在电极制备的过程中。传统的电极材料通常是导电性能比较差的材料，这样会导致电极电阻大，使得光伏电池的输出功率低下。而石墨电极具有良好的导电性能和化学稳定性，可以有效地提高电极的导电性能和稳定性，提高光伏电池的转化效率。

采用石墨电极可以将光伏电池的输出功率提高约1.5倍，同时还能够降低电极的电阻和损耗。石墨电极的制备成本较低，生产过程简单，能够有效地降低光伏电池的生产成本。

同时，石墨还可以作为太阳能反射镜的反射面材料，能够提高太阳能反射率，增强太阳能的聚光效果，提高太阳能发电的效率。据相关数据显示，采用石墨作为反射面材料可以将太阳能的聚光效果提高约20%~30%，采用石墨作为电极材料可以将太阳能电池的转化效率提高约1%~3%。

目前石墨电极的制备过程和材料性能的稳定性还存在一定的问题。一方面，石墨电极的制备成本较高，需要采用高温烧结等特殊工艺，生产效率较低；另一方面，石墨电极的导电性能和稳定性还需要进一步提高，以满足光伏电池对于材料性能的要求。

四、未来的发展趋势

随着全球对可再生能源的需求不断增加，光伏行业的发展将会更加迅速。在这种背景下，石墨作为一种优秀的导电材料，其在光伏行业中的应用也将会得到更广泛的推广和应用。未来，随着石墨材料的研究和开发的不断深入，石墨在光伏行业中的应用将会更加广泛和深入。

同时，随着科技的不断进步，石墨作为太阳能反射镜的反射面材料的应用也将会得到更广泛的推和应用。总之，石墨在光伏行业中的应用前景十分广阔，未来的发展前景也是非常值得期待的。

石墨在光伏行业中的应用也存在着一些挑战和问题。首先，石墨作为一种天然材料，其性质和品质存在较大的差异，对于石墨的选择和加工也存在一定的难度。其次，石墨在光伏电池中的应用还需要进一步提高其导电性能和稳定性，以满足光伏电池对于材料性能的要求。此外，石墨在太阳能发电中的应用也需要进一步提高其反射率和耐高温性能，以适应太阳能聚光的需求。

针对上述问题，石墨材料的研发和加工技术的不断提高，是解决问题的关键。同时，随着新材料的研究和应用，也将为石墨材料的应用提供更多的选择和可能性。例如，一些新型材料如石墨烯、碳纳米管等，具有优异的导电性能和化学稳定性，这些新型材料在光伏行业中的应用也将会得到更广泛的关注。

来源：碳谷云