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未来的太阳能电池板

作者:guangfuku.com   时间:2019-12-05 16:27   

  如果最新的光伏技术能够联合起来,它们有望比以往任何时候都更有效地捕获太阳的能量。
 
  原则上,从太阳倾泻而下的大量能源可以多次满足世界的电力需求。在美国,已安装的太阳能光伏(PV)面板的总功率容量约为60吉瓦,预计在未来5年内将翻一番,仅在2017年,中国的光伏容量就增加了近60吉瓦。同时,PV面板技术的改进降低了太阳能的价格,使其成本与世界许多地方的其他电源相比具有竞争力。
 
  那不是一个不好的开始。但是要充分利用这种能源泛滥并真正影响全球碳排放量,太阳能光伏发电需要进入兆瓦级领域,而传统的太阳能电池板可能很难使我们到达那里。大多数光伏面板依赖于由半导体硅晶体制成的电池,这些电池通常将太阳光中约15%到19%的能量转换为电能。这种效率是数十年来研发的结果。进一步的改进越来越难以实现。
 
  物质短缺以及必要投资的规模和速度,也可能阻碍扩大现有技术产量的努力。“如果我们认真对待巴黎气候协议,并且希望在20年内拥有[光伏提供的世界电力的30%],那么我们就需要将硅制造能力提高50倍才能建立所有这些面板,”阿姆斯特丹AMOLF研究所光子材料小组负责人AlbertPolman说。“这可能会发生,但与此同时,我们应该考虑制造成本更低的太阳能电池的方法。”
 
  一系列新技术旨在应对兆瓦级挑战。有些可以廉价地大量生产,也许印刷,甚至涂在表面上。其他可能实际上是看不见的,整齐地集成在墙壁或窗户中。新材料和光学巫术的组合可以为我们提供非常有效的太阳陷阱。所有这些技术都以不同的方式有望收获更多的太阳能,从而为我们提供了在未来20年内改变世界能源供应的更好机会。
 
  物质利益
 
  大多数光伏电池的工作方式基本相同。一层半导体材料吸收光子,产生电子和称为空穴的正电荷载流子(通常是电子的空位)。在与电池另一侧的空穴重新结合之前,虹吸电子会流到电路周围并做有用的工作。
 
  “有机材料在构建集成太阳能电池方面具有真正的机会。”
 
  斯蒂芬·福雷斯特
 
  硅层需要大约200微米厚,才能吸收击中它的大部分光线。但是其他材料会吸收更强,并形成仅几微米厚的有效集光层。这使得基于这些材料的电池制造起来可能更便宜且能耗更低。
 
  这些薄膜技术中的一些已经建立。碲化镉(CdTe)和硒化铜铟镓(CIGS)占当今全球光伏市场的大约5%。商用CdTe面板最近已经达到了硅的效率和成本,并且仍有改进的空间。例如,CdTe层与它下面的金属导体之间的界面存在缺陷,可以帮助空穴和电子复合,从而防止它们对电池的电流产生影响。亚利桑那州坦佩市的FirstSolarInc.首席科学家MarkusGloeckler说,这是减少这种低效率来源的机会,该公司生产全球大多数CdTe面板。但是CdTe和CIGS都依赖于稀有元素-碲和铟-并且可能无法以太瓦级规模部署这些元素。
 
  因此研究人员正在研究大量其他材料。由简单的成分大量合成的有机分子,例如聚合物和染料,可以在PV电池中形成光吸收层。“我们使用的材料原则上非常便宜”,密歇根州安阿伯市密歇根大学光电研究小组的负责人斯蒂芬·福雷斯特(StephenForrest)说。然而,尽管有机物可能很便宜,但硅的成本也继续下降。福雷斯特(Forrest)认为,有机物不会成为硅的直接竞争者,反而会填补一个不同的市场。他说:“他们可以做硅做不到的事情。”
 
  与硅不同,有机电池具有柔性。因此,它们可以轻松地在屋顶上铺开或粘贴在其他表面上,而无需重型玻璃板。还可以将有机电池设计为主要吸收红外光,并且对可见光保持相当透明,这意味着它们可以集成到窗户中。例如,Forrest的小组展示了效率为7%的有机PV电池,可让43%的可见光通过。这听起来像是昏暗的,肮脏的窗户,但可以与带有防反射涂层的标准办公室窗户相媲美。透明有机物还可以通过石墨烯制成的电极来提高效率,石墨烯是一种薄而导电的透明碳原子片。2016年,马萨诸塞州剑桥市麻省理工学院的研究人员设法将石墨烯电极粘合到实验细胞上。
 
  事实证明,最有效的有机PV电池易于氧化,因此使用寿命相对较短。但是,将它们放在密封的双层玻璃窗面板中可以保护它们免受氧气和水的破坏。“有机物在构建集成太阳能电池中具有真正的机会,”说。
 
  效率驱动
 
  有机太阳能电池可能很便宜,但是电池的价格只是经济方程式的一部分。真正的底线被称为平均电费(LCOE):在整个安装过程中每千瓦时的成本。这笔费用包括逆变器之类的设备,这些设备会将面板的低压直流电转换成高压交流电。其他费用包括安装并最终回收面板。尽管超级便宜的面板提供了一条低LCOE的途径,但研究人员还在努力改善另外两个至关重要的经济投入:面板的寿命及其能效。
 
  钙钛矿是新型光伏材料中最有前途的。它们都具有与钙钛氧化物矿物质相同的晶体结构,钙钛矿氧化物是赋予该族材料名称的原始钙钛矿。不同类型的离子或分子可以占据该结构的三个位点中的每个位点,这意味着钙钛矿化学可以产生大量不同材料。其中一些,例如甲基铵卤化铅,形成了有效的薄膜电池,记录的效率高达约23%。
 
  经过不到十年的研究,钙钛矿电池已经达到了令人印象深刻的产量。“他们的效率正在以前所未有的快速增长,”加拿大安大略省多伦多大学的说。其高效率的原因之一是钙钛矿倾向于在其晶体结构中具有低密度的缺陷,从而确保了相对较少的电子和空穴因过早复合而损失。最近的一项研究表明,相对柔性的晶格无法有效去除载流电子中的热能,这可能有助于解释钙钛矿的高效率并有望进一步改善。此外,钙钛矿中的所有材料都很丰富,并且用于制造它们的基于溶液的方法可能比硅电池所需的高温处理便宜。
 
  但是钙钛矿确实有一个或两个跟腱。它们通常包含铅,这是一种可能会阻碍其商业化的有毒元素,因此,几个团队正在研究无毒替代品,例如锡。钙钛矿也易于降解,尤其是在存在水分的情况下,因此使用寿命短,因此LCOE较差。将它们封装在塑料中有助于但增加成本。在瑞士洛桑的瑞士联邦技术学院,由朱利亚)领导的团队找到了解决该问题的另一种方法,该方法涉及在电池中添加钙钛矿的额外表面层。该材料使用与下面的PV钙钛矿相同的成分,但结构不同,更耐潮。这可以密封并保护电池,在10,000小时的运行中不会出现性能损失,并且应该是比塑料封装更便宜的选择。
 
  联合起来
 
  尽管钙钛矿和其他新型PV材料的效率不断提高,但它们的性能都面临着根本性的限制。这是由它们的特征带隙来设定的-释放出束缚电子以使其成为电荷载流子所需的能量。在硅中,该间隙为1.1电子伏特。能量小于该能量的光子无法生成电荷载流子,因此被浪费了。能量多于此的光子可以产生载流子,但是任何高于1.1电子伏特的能量都会作为热量损失掉。给定到达地球表面的太阳光光谱,可以计算出被称为效率极限的材料可以捕获多少比例的太阳能。对于1.1电子伏特的带隙,该极限约为32%。1.34电子伏特的理想带隙仅好一点,限制为33.7%。实际上,由于电荷载流子的重组,内部电阻,电池表面的反射以及其他影响,电池效率会下降。
 
  但是,通过结合力量,现有材料可以做得更好。在串联电池中,有两个半导体层:具有较宽禁带的上层可以充分利用可见光,而大部分红外光会通过,因此可以被较窄带隙的第二层擦拭掉。串联电池非常适合带隙相对容易调整的材料。修补化学使得有机物和钙钛矿中的化学处理成为可能。因此,在钙钛矿-硅串联结构中,可以将钙钛矿设计为具有1.7电子伏特的带隙,从而为硅的1.1电子伏特提供最佳的光吸收补体。这两个带隙的理论效率极限为43%。
 
  与以往一样,现实世界的性能还达不到理想水平。但是在2018年6月,分拆公司牛津光伏公司将钙钛矿-硅串联电池的效率提高到了创纪录的27.3%。该公司表示,采用导电粘合剂将现有的硅晶片和钙钛矿层粘贴在一起相对简单。该公司的首席技术官克里斯·凯斯(ChrisCase)说:“我们的产品几乎已经准备就绪。”他们预计该产品的早期版本将具有约25%至26%的效率,并在未来几年内提高到30%以上。该公司还正在进行一个项目,以构建具有两层或更多层的全钙钛矿电池,最终目标效率为37%。
 
  三层要好于两层,而且研究人员越来越多地寻求纳米结构材料来完成这种三层结构。例如,量子点是微小的半导体粒子,事实证明它们特别擅长捕获光子,并且改变其大小提供了一种直接调节其带隙的方法
 
  三重电池可能具有调整为蓝光和绿光的钙钛矿层,用于红色和近红外的硅层以及用于最长波长的量子点层。“这可以在不增加成本的情况下提高6%的功率转换效率,”研发量子点PV系统的团队成员
 
  光的诀窍
 
  新型光学器件可以从阳光中产生更多能量。纳米结构材料可以提供更好的抗反射涂层,使更多的阳光进入太阳能电池。它们还可以用于限制电子和空穴复合时的无用辐射。由纳米线网格制成的电极几乎可以完全透明。
 
  在阿姆斯特丹的研究小组发现,纳米圆柱可以通过多种方式增强太阳能电池的性能。尽管从表面上类似于量子点阵列,但纳米圆柱体是由绝缘材料而不是半导体制成的。它们没有吸收光,而是仅具有与周围材料不同的折射率。结果,某些波长的光从阵列反射,而其他波长则透射。
 
  波尔曼正在研究一种基于氧化钛纳米圆柱体的反射器,以提高钙钛矿-硅串联电池的性能。这些纳米圆柱体在钙钛矿和硅之间形成单独的层。当光进入细胞时,钙钛矿层会吸收大部分短波长光,但其中一部分会穿过而未被捕获。纳米圆柱具有适当的间距,可以将未吸收的光反射回钙钛矿层,使其有第二次被吸收的机会。
 
  相反,较长波长的光可以直接穿过纳米圆柱层而不会被反射,从而可以到达下面的硅。类似的方法可以改善许多形式的太阳能电池中的光捕获,使光来回反射直至被吸收。
 
  诸如此类的光谱选择性反射器也可以实现更好的串联电池。将一层粘在另一层上会产生一些问题,包括必须匹配每一层产生的电流。对于两层串联而言,这已经足够困难了,不要介意三层或更多层。“如果光线水平发生变化,其中一个电池单元会产生较少的电流,从而将整个电池组消耗掉,”波尔曼说。因此,他正在与位于加利福尼亚州帕萨迪纳市的加州理工学院的哈里及其小组合作,制造一种装置,该装置使用反射器层将光引导到六个单元格中,每个单元格调谐到不同的波段并并排堆叠(。目的是生产一种整体效率为50%的设备,而其他光学增强功能可以使这种更高的效率更高
 
  尚不清楚这些技术中的哪些将组合在一起构成未来的超级电池,但势头似乎不可阻挡。福雷斯特说:“在美国几乎所有地方,光伏发电都比化石燃料便宜。”而且只会越来越便宜。他说:“事情正在迅速发展。”
 
  印刷的力量
 
  为了使太阳能为全球电力供应做出巨大贡献,将需要数万平方公里的太阳能电池板。印刷可以使制造商迅速将其淘汰,而无需大量的资本投资。
 
  在澳大利亚卡拉汉的纽卡斯尔大学,保罗的团队开发了可打印的PV,该产品正处于商业部署的边缘。他们的有机光吸收剂噻吩聚合物以墨水的形式制备,并通过商业印刷机使用银基墨水进行沉积。
 
  去年,团队在100平方米的安装中对该系统进行了测试,效率达到1%左右,预计使用寿命为1-2年。这听起来可能很差,但是根据达斯托尔的经济模型,由于它们的电池制造和安装非常便宜,因此仅2%和3年的电池成本就可以与其他形式的PV竞争。面板可以从字面上展开并通过魔术贴固定。但是,必须经常更换它们,这使得回收至关重要。“早期迹象表明,将组件分开很简单,”说。

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