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太陽(yáng)能電池的未來(lái)市場(chǎng)

發(fā)布于 11-03 1,974 次瀏覽

能源問(wèn)題困擾大眾已久,取之不盡用之不竭的太陽(yáng)光成為最好的選擇,太陽(yáng)能電池的未來(lái)市場(chǎng)極為廣泛。

太陽(yáng)能電池是把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的重要裝置,其光電轉(zhuǎn)化效率和穩(wěn)定性成為業(yè)內(nèi)關(guān)注的焦點(diǎn)。日前,澳大利亞昆士蘭大學(xué)教授王連洲課題組基于近些年在太陽(yáng)能電池、快充型儲(chǔ)能電池和EL隱裂檢測(cè)領(lǐng)域的新探索,在《儲(chǔ)能材料》上發(fā)表了一篇題為《柔性太陽(yáng)能充電系統(tǒng)》的綜述。

在國(guó)內(nèi),中國(guó)科學(xué)院院士李永舫自2000年開(kāi)始從事共軛高分子轉(zhuǎn)入有機(jī)聚合物太陽(yáng)能電池的研究。他告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》:“有機(jī)聚合物太陽(yáng)能電池與傳統(tǒng)硅基太陽(yáng)能電池相比,最大的特點(diǎn)是可以做成柔性和半透明,整體耗能低很多。”

尋找電池器件材料

20世紀(jì)50年代,太陽(yáng)能電池開(kāi)始興起并發(fā)展至今,現(xiàn)在應(yīng)用比較普遍的是硅基太陽(yáng)能電池。此外,還有無(wú)機(jī)半導(dǎo)體薄膜太陽(yáng)能電池、染料敏化太陽(yáng)能電池、鈣鈦礦太陽(yáng)能電池、有機(jī)聚合物太陽(yáng)能電池等。

李永舫以硅基太陽(yáng)能電池為例介紹道,硅基太陽(yáng)能電池在生產(chǎn)過(guò)程中耗能較高,尤其是原材料的支配,以及硅要達(dá)到99.9999%純化,這個(gè)純化過(guò)程也需要耗能。

他說(shuō):“硅基太陽(yáng)能電池要使用6~7年才能把生產(chǎn)過(guò)程中的耗能收回來(lái),而有機(jī)聚合物太陽(yáng)能電池的能耗大概一年左右就可以收回,但存在穩(wěn)定性問(wèn)題,導(dǎo)致使用壽命不長(zhǎng),反觀硅基太陽(yáng)能電池使用壽命可達(dá)20年。

不同太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)不一樣,比如有機(jī)聚合物太陽(yáng)能電池的有機(jī)光敏帶由P型有機(jī)半導(dǎo)體(容易給出電子)構(gòu)成的給體、N型半導(dǎo)體(容易接收電子)構(gòu)成的受體組成,形成很薄的柔性活性層,在外電路接通下產(chǎn)生光電流。鈣鈦礦太陽(yáng)能電池與有機(jī)聚合物太陽(yáng)能電池類似,具有三明治結(jié)構(gòu),主要的不同在于光敏層,它是有機(jī)無(wú)機(jī)雜化構(gòu)成的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。

2017年,英國(guó)、意大利、西班牙等7個(gè)國(guó)家的15家企業(yè)研究機(jī)構(gòu)組成歐洲Powerweave研發(fā)團(tuán)隊(duì),開(kāi)展基于染料敏化纖維材料太陽(yáng)能光伏電池技術(shù)和電能儲(chǔ)存纖維材料薄膜蓄電池技術(shù)的有機(jī)組合的原位集成技術(shù)研究。

來(lái)自中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員葛子義團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn),當(dāng)前大多數(shù)有機(jī)太陽(yáng)能電池的研究結(jié)果都是基于剛性的氧化錫(ITO)玻璃基板。然而,ITO在塑料基板上存在導(dǎo)電性差和機(jī)械脆性等問(wèn)題,另外ITO通常在高溫下通過(guò)真空濺射進(jìn)行加工,這使得其價(jià)格昂貴,不利于采用大面積印刷和卷對(duì)卷來(lái)制備。

為此,葛子義團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了低溫酸處理PEDOT/PSS電極替代需要高溫濺射且昂貴的ITO電極。團(tuán)隊(duì)稱,這類全溶液加工的柔性有機(jī)太陽(yáng)能電池非常符合卷對(duì)卷印刷和刮涂等大面積制備工藝的技術(shù)要求,為有機(jī)太陽(yáng)能電池低成本柔性化制備提供了重要的參考途徑。

提升光電轉(zhuǎn)換效率

葛子義團(tuán)隊(duì)利用全溶液加工技術(shù),采用PBDB-T和IT-M非富勒烯活性層,制備了全濕法加工非ITO的單結(jié)柔性有機(jī)太陽(yáng)能電池,電池的能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到10.12%。

2019年11月,陳永勝團(tuán)隊(duì)在《自然—電子學(xué)》發(fā)表文章,介紹了團(tuán)隊(duì)制備出同時(shí)具有高導(dǎo)電、高透光且低表面粗糙度的銀納米線柔性透明電極,將其用于構(gòu)筑柔性有機(jī)太陽(yáng)能電池,與使用商業(yè)氧化銦錫玻璃電極的器件性能相當(dāng),光電轉(zhuǎn)化效率可達(dá)16.5%,刷新了當(dāng)時(shí)文獻(xiàn)報(bào)道的柔性有機(jī)/高分子太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)化效率的最高紀(jì)錄。

有機(jī)聚合物太陽(yáng)能電池的研究興起于20世紀(jì)60年代,當(dāng)時(shí)的轉(zhuǎn)換效率非常低。李永舫最開(kāi)始研究有機(jī)聚合物太陽(yáng)能電池時(shí)由于條件不太好,效率也一直不高。2004年前后,李永舫團(tuán)隊(duì)開(kāi)始思考如何提高材料的光電轉(zhuǎn)換效率。

“太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成電能,首先要求光伏材料對(duì)光有較寬和強(qiáng)的吸收,另外給體材料要有高的空穴遷移率,受體材料要有高的電子遷移率。”李永舫回憶道,“我們當(dāng)年選擇了富勒烯衍生物受體,其電子遷移率較高,隨后我們的關(guān)注點(diǎn)轉(zhuǎn)到給體材料。”

“我們那個(gè)時(shí)候就想到了共軛側(cè)鏈這個(gè)概念?!崩钣吏辰忉尩?,“由于共軛高峰的主鏈傳輸很快,有了共軛側(cè)鏈就像搭了座橋,使電荷在這條共軛側(cè)鏈上傳輸也比較快,提高空穴遷移率,進(jìn)而提升光伏性能?!?/span>

近年來(lái),提升材料光電轉(zhuǎn)化效率已成為太陽(yáng)能電池的主流研究方向。南開(kāi)大學(xué)化學(xué)學(xué)院教授陳永勝在柔性透明電極與柔性有機(jī)太陽(yáng)能電池領(lǐng)域研究中發(fā)現(xiàn),獲得高性能的柔性透明電極是研發(fā)高效柔性有機(jī)光電器件的前提,也是目前該領(lǐng)域的核心難題?!耙虼?,如何獲得同時(shí)具有高導(dǎo)電、高透光、低表面粗糙度以及制備方法簡(jiǎn)單、綠色的柔性透明電極,是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)?!?/span>

多領(lǐng)域的潛在應(yīng)用

王連洲團(tuán)隊(duì)在綜述文章里指出,由于太陽(yáng)光自身的強(qiáng)度不穩(wěn)定性以及間歇性,促使該領(lǐng)域的科研人員進(jìn)一步探索光伏能源生成與儲(chǔ)存的集成系統(tǒng),促進(jìn)了太陽(yáng)能充電儲(chǔ)能系統(tǒng)的發(fā)展。

南京工業(yè)大學(xué)先進(jìn)材料研究院教授陳永華告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》:“太陽(yáng)能充電儲(chǔ)能系統(tǒng)比較適合應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)和人機(jī)互動(dòng)等領(lǐng)域,前提是需要提升光電轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)效率?!贝饲埃愑廊A團(tuán)隊(duì)尋找并設(shè)計(jì)出能夠穩(wěn)定鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的有機(jī)胺分子,制備出的層狀鈣鈦礦太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率得到明顯提升。

王連洲團(tuán)隊(duì)表示,相比于傳統(tǒng)的剛性器件,柔性薄膜太陽(yáng)能電池因低溫制備及易實(shí)現(xiàn)的面板安裝技術(shù)而大大降低了成本。此外,將柔性的薄膜光伏系統(tǒng)與儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)合起來(lái),不僅可以實(shí)現(xiàn)便攜可穿戴設(shè)備的無(wú)線充電,還可以極大地提高電池的工作時(shí)長(zhǎng),實(shí)現(xiàn)更為廣泛、精細(xì)的應(yīng)用。

中國(guó)科學(xué)院電工研究所副研究員原郭豐向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》介紹道,柔性太陽(yáng)能光伏發(fā)電與儲(chǔ)存一體化技術(shù),具有明顯的表面結(jié)構(gòu)適應(yīng)性強(qiáng)、易彎曲、重量輕、無(wú)需額外安裝費(fèi)用等優(yōu)勢(shì),可靈活應(yīng)用于服飾、戶外裝備、建筑物、交通運(yùn)輸工具、電子設(shè)備等需要遮陽(yáng)及復(fù)雜結(jié)構(gòu)的物體外表面,也可以作為光伏發(fā)電儲(chǔ)存一體化系統(tǒng)進(jìn)行使用。

原郭豐還指出:“柔性太陽(yáng)能光伏發(fā)電與儲(chǔ)存一體化技術(shù)仍然面臨材料的制備及其穩(wěn)定性、復(fù)雜條件下材料壽命、光電轉(zhuǎn)化效率、充放電效率、安全性以及成本等諸多問(wèn)題?!?/span>

萊科斯(LAILX)致力于光伏檢測(cè)設(shè)備的研發(fā)與生產(chǎn),現(xiàn)有設(shè)備包括 EL檢測(cè)系列,便攜式EL檢測(cè)儀,組串式EL檢測(cè)儀,無(wú)人機(jī)EL測(cè)試儀,IV功率測(cè)試系列,便攜式IV測(cè)試儀,電能質(zhì)量分析儀,等相關(guān)光伏電站檢測(cè)設(shè)備與光伏產(chǎn)線實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)設(shè)備。

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