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          太陽能光伏發電材料技術新進展

          發布時間:2015/5/9 9:42:49

                隨著太陽能尤其是太陽能光伏發電(簡稱“光伏發電”)的應用越來越廣泛,更多新材料和新技術不斷涌現。本文將著重介紹近期光伏發電材料技術的進展,并簡述規模化應用趨勢。

                1太陽能光伏效應

                光伏材料將光能轉換為電能,這個過程叫做光伏效應。光伏效應的過程即半導體材料吸收光子能量,使到半導體中的原子發生原子能級躍遷,然后釋放電子并形成電壓的過程。入射光子的能量e=hν,(h為普朗克常數,ν為入射光子的頻率),只有當入射光子的頻率達到一定數值,使到入射光子的能量e大于半導體能級躍遷并釋放電子所需要的最小能量——禁帶寬度,才能使原子能級躍遷并產生電子。

                2太陽能光伏應用常見材料特性

                根據NREL的最新光伏轉換效率統計發現,近年來,光伏轉換效率在全世界的各個實驗室不斷被刷新,為光伏發電的發展奠定了堅實的技術基礎。

                 2.1多重結和單重結III-V族材料

                多重結和單重結太陽能電池的轉換效率最高,在多重太陽聚焦下,單重結的效率可達20%~30%,而三重結材料的光伏轉換效率,可達到40%。2011年在美國Solar-Junction公司的試驗數據顯示最高的轉換效率為43.5%。在2006年,Emcore公司推出了有效面積為108mm2的三重結太陽能電池,其在200余倍聚焦數下能量轉換效率達到37%。多重結材料生長制備一般采用金屬有機化學氣相沉積,這需要精密的材料配比控制和生長速率控制,成本較高,加上重結III-V族材料如Ga、As和Ge在地殼中的含量還不到10%~5%,綜合考慮下更適用于高密度輻照下的光電轉換。

                 2.2單晶硅和多晶硅

                 在硅系太陽能電池中,單晶硅大陽能電池轉換效率最高,技術最成熟。UNSW大學在2000年以前就已經實現25%的單晶硅材料的轉換效率。多晶硅太陽電池的出現主要是為了降低成本,其優點是能直接制備出適于規模化生產的大尺寸方型硅錠,制造過程簡單、省電、節約硅材料,對材質要求也較低。弗勞恩霍夫研究所的太陽能系統在2005年前發表的最高的多晶硅轉換效率為20.4%。在實規模化應用中,多為單晶硅產品,其效率在13%~16%左右。

                2.3薄膜技術

                薄膜技術可采用的材料包括無定型硅、多晶硅、微晶硅以及碲化鎘(CdTe)和銅銦硒(CIS)等,其電池的轉換效率從12%~20%不等。薄膜技術電池可通過薄膜制備方法如射頻建設、真空蒸發等將這些材料沉積到玻璃基板甚至柔軟的基板上制作。其制備簡單,轉換效率也不低,據報道,CuInGaSe電池的轉換效率已經達到19.2%。由于銅、銦和硒材料資源相對豐富,薄膜技術制備簡單,其成本低很多,適合大規模應用。

                 2.4有機聚合物、無機聚合物和燃料敏化物太陽能電池

          目前,這幾種材料仍然在研究、開發和探索之中。目前實驗室數據為有機聚合物的效率為10.6%、無機聚合物的效率為10.1%和染料敏化物的效率為11.4%。這些材料制成的太陽能電池成本遠遠低于半導體材料,而且可以制備柔軟底板的大面積電池。因其制作成本也遠遠低于半導體材料,而且可以制備柔底板的大面積電池,適合用于建筑物上。

                2.5新興材料

                于薄膜技術的表面等離子材料,一般用玻璃、塑料或者鋼材來做襯底,這樣可以降低成本。目前的一種方法是通過在薄膜太陽能面板上放置金屬納米粒子,光入射后,金屬納米粒子實現等離子共振然后對光進行散射,這樣增加光吸收而無需增加更多的薄膜電池層,從而實現效率的提高,其效率可預計能達到40%~60%。

          另外一種新型材料是由碳原子構成的單層片狀結構的石墨烯。這是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜。這種材料的太陽能電池,目前最新研究得到的效率為8.6%。

                2.6其他

                基于納米科技的量子點、量子阱和超晶格材料也有不少機構在研究。此類型材料的優勢一般是可更好地匹配太陽能光譜,但其研究還比較少,目前的效率不高,離穩定性和量產化還有一段距離。研究指出,相對于常規的塊狀太陽能電池,多量子阱、超晶格以及量子點用于光伏設備可大大提高理論上的最大效率,可實現光伏轉換效率達40%甚至更高。

                3結語

                隨著光伏發電材料的不斷深入研究和試驗,可以預測在未來的5~10年,將會有越來越多新型和改進型材料的出現,逐步解決材料的吸收問題,效率問題,穩定性問題,工藝規模化生產的成本問題。從規模化生產和應用的角度看,硅技術、薄膜技術和聚合物電池仍為主導,量子點和納米技術將給傳統技術帶來新的生命。


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