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    太阳能光伏发电材料技术新进展

    发布时间:2015-5-9 9:42:49

          随着太阳能尤其是太阳能光伏发电(简称“光伏发电”)的应用越来越广泛,更多新材料和新技术不断涌现。本文将着重介绍近期光伏发电材料技术的进展,并简述规模化应用趋势。

          1太阳能光伏效应

          光伏材料将光能转换为电能,这个过程叫做光伏效应。光伏效应的过程即半导体材料吸收光子能量,使到半导体中的原子发生原子能级跃迁,然后释放电子并形成电压的过程。入射光子的能量e=hν,(h为普朗克常数,ν为入射光子的频率),只有当入射光子的频率达到一定数值,使到入射光子的能量e大于半导体能级跃迁并释放电子所需要的最小能量——禁带宽度,才能使原子能级跃迁并产生电子。

          2太阳能光伏应用常见材料特性

          根据NREL的最新光伏转换效率统计发现,近年来,光伏转换效率在全世界的各个实验室不断被刷新,为光伏发电的发展奠定了坚实的技术基础。

           2.1多重结和单重结III-V族材料

          多重结和单重结太阳能电池的转换效率最高,在多重太阳聚焦下,单重结的效率可达20%~30%,而三重结材料的光伏转换效率,可达到40%。2011年在美国Solar-Junction公司的试验数据显示最高的转换效率为43.5%。在2006年,Emcore公司推出了有效面积为108mm2的三重结太阳能电池,其在200余倍聚焦数下能量转换效率达到37%。多重结材料生长制备一般采用金属有机化学气相沉积,这需要精密的材料配比控制和生长速率控制,成本较高,加上重结III-V族材料如Ga、As和Ge在地壳中的含量还不到10%~5%,综合考虑下更适用于高密度辐照下的光电转换。

           2.2单晶硅和多晶硅

           在硅系太阳能电池中,单晶硅大阳能电池转换效率最高,技术最成熟。UNSW大学在2000年以前就已经实现25%的单晶硅材料的转换效率。多晶硅太阳电池的出现主要是为了降低成本,其优点是能直接制备出适于规模化生产的大尺寸方型硅锭,制造过程简单、省电、节约硅材料,对材质要求也较低。弗劳恩霍夫研究所的太阳能系统在2005年前发表的最高的多晶硅转换效率为20.4%。在实规模化应用中,多为单晶硅产品,其效率在13%~16%左右。

          2.3薄膜技术

          薄膜技术可采用的材料包括无定型硅、多晶硅、微晶硅以及碲化镉(CdTe)和铜铟硒(CIS)等,其电池的转换效率从12%~20%不等。薄膜技术电池可通过薄膜制备方法如射频建设、真空蒸发等将这些材料沉积到玻璃基板甚至柔软的基板上制作。其制备简单,转换效率也不低,据报道,CuInGaSe电池的转换效率已经达到19.2%。由于铜、铟和硒材料资源相对丰富,薄膜技术制备简单,其成本低很多,适合大规模应用。

           2.4有机聚合物、无机聚合物和燃料敏化物太阳能电池

    目前,这几种材料仍然在研究、开发和探索之中。目前实验室数据为有机聚合物的效率为10.6%、无机聚合物的效率为10.1%和染料敏化物的效率为11.4%。这些材料制成的太阳能电池成本远远低于半导体材料,而且可以制备柔软底板的大面积电池。因其制作成本也远远低于半导体材料,而且可以制备柔底板的大面积电池,适合用于建筑物上。

          2.5新兴材料

          于薄膜技术的表面等离子材料,一般用玻璃、塑料或者钢材来做衬底,这样可以降低成本。目前的一种方法是通过在薄膜太阳能面板上放置金属纳米粒子,光入射后,金属纳米粒子实现等离子共振然后对光进行散射,这样增加光吸收而无需增加更多的薄膜电池层,从而实现效率的提高,其效率可预计能达到40%~60%。

    另外一种新型材料是由碳原子构成的单层片状结构的石墨烯。这是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜。这种材料的太阳能电池,目前最新研究得到的效率为8.6%。

          2.6其他

          基于纳米科技的量子点、量子阱和超晶格材料也有不少机构在研究。此类型材料的优势一般是可更好地匹配太阳能光谱,但其研究还比较少,目前的效率不高,离稳定性和量产化还有一段距离。研究指出,相对于常规的块状太阳能电池,多量子阱、超晶格以及量子点用于光伏设备可大大提高理论上的最大效率,可实现光伏转换效率达40%甚至更高。

          3结语

          随着光伏发电材料的不断深入研究和试验,可以预测在未来的5~10年,将会有越来越多新型和改进型材料的出现,逐步解决材料的吸收问题,效率问题,稳定性问题,工艺规模化生产的成本问题。从规模化生产和应用的角度看,硅技术、薄膜技术和聚合物电池仍为主导,量子点和纳米技术将给传统技术带来新的生命。