2014：太陽能電池新技術(shù)研發(fā)一覽

時間:2014-03-28 15:11來源:中國電池網(wǎng) 作者:智楓
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    從美國對華再次采取“雙反”調(diào)查案來看，2014年的太陽能電池行業(yè)注定是個不平凡的一年，競爭仍在持續(xù)，太陽能行業(yè)是在爭端中成長的。對于企業(yè)來說，在這大爭之世中，爭得一席之地，求得安身立命之本的基石所在，無非就是實力二字，而這其中，最容易讓企業(yè)崛起的是技術(shù)的突破，我們來看看，最近這一段時間，太陽能行業(yè)有什么樣的新技術(shù)出現(xiàn)吧？
有機太陽能電池讓效率獲新突破 
    該研究應(yīng)用于于有機太陽能電池，它是以在聚合物的基礎(chǔ)上開發(fā)的（簡單一點來說就是塑料），一種相對新型的太陽能電池。
    這項突破的關(guān)鍵是北卡州立大學與中國科學院共同研制出的一種名為PBT-OP的低成本聚合物，這種新型聚合物是由兩種現(xiàn)有的的單質(zhì)材料及另外一種新型單質(zhì)構(gòu)成，這種單質(zhì)材料的合成也相對容易（單質(zhì)是完全相同的分子連接成長鏈形成的聚合物）。
    這種新型聚合物使得有機太陽能電池中不再需要氟，從而降低了成本，PBT-OP雖然不含氟，但卻有氟材料的優(yōu)勢，要掌握這種技術(shù)，你就要了解到太陽能電池由電子受體材料及電子供體材料構(gòu)成，每一個都有其軌道。
    要解決這一點，你需要做是人為開辟一條高效電子通道，在這高效電子通道上激子（當太陽能電池吸光時產(chǎn)生的能量粒子）在供體和受體的交界處盡可能快的高速運行，這樣就意味著，你可以把傳統(tǒng)有機太陽能電池中出現(xiàn)的能量損失降到最低。

碘化銅讓鈣鈦礦太陽能電池更便宜
    美國諾特丹大學的科學家日前發(fā)現(xiàn)一種廉價的無機材料，能夠取代鈣鈦礦太陽能電池中昂貴的有機空穴導(dǎo)體，讓這種高效的太陽能電池更加便宜。
    鈣鈦礦太陽能電池是當今最有前途的幾種光伏技術(shù)之一，其理論轉(zhuǎn)化效率最高可達50%，為目前市場上太陽能電池轉(zhuǎn)化效率的兩倍，能大幅降低太陽能電池的使用成本，雖然鈣鈦礦材料相對便宜，但用其制造太陽能電池還需要用到一種名為spiro-OMeTAD的有機空穴導(dǎo)電聚合物，其市場價格是黃金的10倍以上。
    新研究中，美國諾特丹大學的杰佛瑞·克里斯、雷蒙德·豐和普拉什特·卡瑪特發(fā)現(xiàn)用碘化銅制成的無機空穴導(dǎo)電材料可以替代spiro-OMeTAD�？死锼拐f：“新發(fā)現(xiàn)的無機空穴導(dǎo)電材料比以往的可替代材料都便宜得多，有望進一步降低這種太陽能電池的制造成本。”
    鈣鈦礦是一類具有特定晶體結(jié)構(gòu)的材料，對太陽能電池的制造而言，這種結(jié)構(gòu)具有天然優(yōu)勢：較高的電荷載體遷移率和較好的光線擴散性能，使光電轉(zhuǎn)換過程中的能量損失極低。雖然碘化銅能夠充當鈣鈦礦太陽能電池中的空穴導(dǎo)體現(xiàn)在才被證明，但銅系導(dǎo)體之前就被認為能夠在和量子點太陽能電池中充當重要角色，而最具吸引力的是它們優(yōu)良的導(dǎo)電性能。碘化銅導(dǎo)體的導(dǎo)電率比spiro-OMeTAD高兩個數(shù)量級，這使其能達到更高的填充系數(shù)，也決定了用其制成的太陽能電池具有更大的功率。但目前的研究結(jié)果表明，包含碘化銅的鈣鈦礦太陽能電池，在轉(zhuǎn)化效率上暫時不及原有技術(shù)。研究人員認為這可能與其較低的電壓相關(guān)。這一點未來有通過降低其較高的重組率來彌補。

有機太陽能電池新進展 高原植物幫助電池增能增壽
    青海大學利用顏色較深的高原植物，從中提取植物色素用于提高電池效率的研究中，使得優(yōu)化后的玫瑰花色素敏化電池的單色光光電轉(zhuǎn)換效率提高了16.1%，電子壽命增加16.3%，電池電子收集率增長了51%，近日，專家組評價該成果具有先進性、實用性、環(huán)保性、經(jīng)濟性等特點，研究水平達到國際先進。
    由于傳統(tǒng)硅太陽能電池制作工藝復(fù)雜、生產(chǎn)成本高，從而限制了其大規(guī)模的推廣應(yīng)用；而有機太陽能材料和電池制備技術(shù)有望成為低成本制造的選擇之一。為盡早獲得實用的有機太陽能電池，青海大學科研工作者圍繞低成本合成高原特有植物天然敏化劑、高效電荷轉(zhuǎn)移和收集的納米網(wǎng)絡(luò)薄膜結(jié)構(gòu)方面展開了研究。項目組針對青藏高原海拔高、紫外線照射時間長的地理特點，選取顏色較深的高原植物，從中提取植物色素用于電池中。通過對其進行光電性能測試，發(fā)現(xiàn)含有花青素的染料敏化劑的敏化性能比較好。通過對含有大量花青素的玫瑰花進行研究，使得優(yōu)化后的玫瑰花色素敏化電池單色光光電轉(zhuǎn)換效率提高了16.1%，對應(yīng)的單體開路電壓達到了615mV。針對電池中電荷收集與轉(zhuǎn)移率不高的缺陷，研究了不同的條件對納米材料生長機理的影響，研究制備了電荷收集與轉(zhuǎn)移率較高的氧化鋅樹枝狀納米線的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)與納米棒陣列，使電子壽命增加16.3%，電子擴散距離減少34.4%。最后項目組利用上述研發(fā)的材料組裝了并、串聯(lián)兩種結(jié)構(gòu)的大面積有機太陽能電池，通過測試，串聯(lián)結(jié)構(gòu)的電池電子收集率增長了51%。

上海硅酸鹽所等在新型光伏材料研究方面取得進展
    太陽能電池因具有替代現(xiàn)有化石能源而解決能源環(huán)境問題的前景越來越得到全世界的一致認可和推動。然而，目前太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率依然不高。影響光電轉(zhuǎn)換效率的因素主要有三個：一是光的吸收；二是光生電子空穴對的分離與傳輸；三是電荷的收集。光伏材料是太陽能電池的關(guān)鍵部分，因此，提升太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率的主要途徑是提高光伏材料對光的吸收和抑制光生載流子的復(fù)合，而實現(xiàn)這兩者的研究主要集中在能帶調(diào)控上。如何制備能帶位置匹配的新型光伏材料依然是目前研究的難點和熱點。
    最近，中國科學院上海硅酸鹽研究所研究員黃富強帶領(lǐng)的光電轉(zhuǎn)換材料與器件研究課題組與北京大學化學系合作對黃銅礦結(jié)構(gòu)電池材料CuInS2和CuGaS2合理地進行Sn在In/Ga位的摻雜，成功地在禁帶中間引入半充滿的中間能帶（Sn摻雜CuGaS2帶隙減小至1.8 eV，而吸收范圍延伸至1.0 eV即近紅外區(qū)域，Sn摻雜CuInS2薄膜則將帶隙減小至1.0 eV左右），作為小能量光子躍遷的跳板，克服了材料光學帶隙對太陽光譜響應(yīng)范圍的限制，實現(xiàn)VBM CBM， VBM IB， IB CBM三個光子激發(fā)電子躍遷的通道，從而實現(xiàn)了覆蓋大部分太陽能光譜的響應(yīng)，大大提高了光電流，從而有望大幅提高電池轉(zhuǎn)換效率。  
    該合作團隊基于調(diào)控中心離子配位場來實現(xiàn)材料禁帶寬度的降低，探索制備了一種新型窄帶隙鐵電光伏材料：KBiFe2O5。相對于八面體場，四面體場具有較小的分裂能，從而能夠有效地降低材料的禁帶寬度，樣品結(jié)構(gòu)是由四面體配位的FeO4四面體層通過Bi2O2鏈連接而成的三維骨架結(jié)構(gòu)，禁帶寬度為1.59 eV，為目前已知高溫多鐵材料中禁帶寬度最窄的，由于本征極化場的存在，有效降低光生載流子的復(fù)合率，樣品表現(xiàn)出明顯的光伏響應(yīng)，產(chǎn)生突破材料帶隙限制的光生電壓，電壓高達8.8 V，光生電流為15 mA/cm2，高于已知最佳鐵電光伏材料性能。
    這一研究結(jié)果的意義在于：一方面成功制備了一類新型中間帶太陽能電池材料，并實現(xiàn)了寬光譜響應(yīng)及光電流的大幅提升；另一方面實現(xiàn)了鐵電光伏材料中結(jié)構(gòu)調(diào)控帶隙寬度的設(shè)想，為開發(fā)新一代具有可控微結(jié)構(gòu)及高光電轉(zhuǎn)換效率的新型太陽能電池提供了新思路。

瑞典開發(fā)高效不銹鋼基板CIGS薄膜電池制造技術(shù)
    瑞典斯德哥爾摩，2014年1月27日。Midsummer 是一家制造低成本和可撓性CIGS薄膜電池設(shè)備的領(lǐng)先供應(yīng)商。Midsummer 的研發(fā)團隊開發(fā)了高速制造CIGS太陽能電池片在真空狀態(tài)濺射沉積所有材料，這將提供許多發(fā)展中國家生產(chǎn)低成本高效率電池片的機會。
    透過高速濺射技術(shù)，太陽能電池的制造周期可大大縮短。Midsummer 應(yīng)用不銹鋼為基板材料且電池片無含毒鎘成分，其生產(chǎn)高效率薄膜銅銦鎵硒電池片之制程能力極具競爭力 。制造過程是在全真空狀態(tài)濺射沉積所有材料，因此對制造環(huán)境以及潔凈室等要求并不嚴格。
    瑞典商Midsummer的執(zhí)行長— Sven Lindstrom指出：“大多數(shù)的光伏專家認為可撓性薄膜太陽能電池是太陽能能源的未來。 我們獨特的生產(chǎn)線系統(tǒng)使可少量生產(chǎn)CIGS電池并達到低成本、高速及高效率產(chǎn)品。”
    薄膜銅銦鎵硒太陽能電池模組比傳統(tǒng)玻璃做的硅片電池模組更加輕薄，且完全無含毒鎘的成分，由于模組可無框制造并且任意彎曲，因此非常適合應(yīng)用在城市里的建筑物和其他交通工具上。Midsummer 研發(fā)團隊的努力證明了再生能源技術(shù)的潛能， 成功研發(fā)15.0% 孔徑面積轉(zhuǎn)換效率的無鎘CIGS電池片，并采用0，3毫米厚度，尺寸225平方毫米之不銹鋼基板。透過沖壓含鐵的不銹鋼作為基材，使用濺射技術(shù)沉積緩沖層 ， 一般來說是化學氣相沉積技術(shù)或通過原子層沉積，而銅銦鎵硒層是利用合金靶材以短周期濺射沉積，其制程改善一般硒化太陽能電池所需要的長時間。
    使用 Midsummer 先進太陽能電池片生產(chǎn)線， 電池片可在不銹鋼基板上制成 ，以便制造可撓性太陽能模組 ，緩沖層并無含毒鎘之成分。鎘具有很強的毒性，可致癌以及導(dǎo)致其它疾病。為了生產(chǎn)線人員安全健康著想，應(yīng)避免在生產(chǎn)太陽能電池片過程中使用鎘成分。
    Midsummer 的先進生產(chǎn)工藝技術(shù)帶給發(fā)展中國家制造低成本太陽能電池的絕佳機會，其原因在于：可從最小規(guī)模 （5兆瓦） 開始投入資本，且由于制造過程在全真空環(huán)境下，故對潔凈室的要求并不嚴格，高度自動化的生產(chǎn)線降低對作業(yè)人員的依賴。使用Midsummer生產(chǎn)線所制造的模組，既耐用又具可撓性，非常適合應(yīng)用在不穩(wěn)供電國家以及離網(wǎng)電的領(lǐng)域。
    Midsummer的turn-key生產(chǎn)線 – DUO，提供市面上最小單機生產(chǎn)規(guī)模，單機年產(chǎn)能為5兆瓦，若客戶需要擴充產(chǎn)能，只須加購DUO機臺。Midsummer 的光伏核心技術(shù)是在真空中濺射沉積所有薄膜層。Midsummer 的DUO設(shè)備為最具成本效益的銅銦鎵硒電池片生產(chǎn)線。
    Midsummer的銅銦鎵硒電池具有與晶硅太陽能電池的外觀一致，區(qū)別于采用不銹鋼作為底材，故其電池片不但能用于生產(chǎn)傳統(tǒng)玻璃模組，且可以制成為質(zhì)量輕薄，彈性耐用的可撓性太陽能模組，其適用于土工模建筑物，垃圾填埋場或其他玻璃太陽能模組無法應(yīng)用之處。
 
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