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太陽能電池的未來市場

文章分類:行業動態人(ren)氣:663 次訪問發表時間:2022-11-03

能源問題困擾大(da)眾已久,取之不盡用之不竭(jie)的太(tai)陽(yang)光成為(wei)最好(hao)的選擇,太(tai)陽(yang)能電池的未來市場極為(wei)廣泛(fan)。

是把太陽能轉化為(wei)電能的(de)重要裝置,其光電轉化效率和穩定性成(cheng)為(wei)業內關注的(de)焦點(dian)。日前(qian),澳大利(li)亞(ya)昆(kun)士蘭大學教(jiao)授(shou)王連洲(zhou)課題組(zu)基于(yu)近些年在太陽能電池(chi)(chi)、快充型儲能電池(chi)(chi)和領(ling)域的(de)新探索,在《儲能材料》上發表(biao)了一(yi)篇題為(wei)《柔(rou)性太陽能充電系統》的(de)綜述(shu)。

在國(guo)內,中國(guo)科學院(yuan)院(yuan)士李永(yong)舫(fang)自2000年(nian)開始從事(shi)共軛高分子(zi)轉入有機聚合物(wu)太(tai)陽能電池(chi)的研究。他告訴《中國(guo)科學報(bao)》:“有機聚合物(wu)太(tai)陽能電池(chi)與傳統硅基(ji)太(tai)陽能電池(chi)相比,最大的特點是可以做(zuo)成柔性和半透明(ming),整體耗能低很多。”

尋找電池器件材料

20世紀50年代,太陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)(chi)開始興起并發展至今,現(xian)在應用比較普遍的是硅(gui)基太陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)(chi)。此(ci)外,還有無(wu)機半導體薄膜(mo)太陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)(chi)、染(ran)料敏化太陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)(chi)、鈣鈦礦太陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)(chi)、有機聚合物太陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)(chi)等。

李永舫以(yi)硅基太(tai)(tai)陽能(neng)電(dian)池為例介紹道(dao),硅基太(tai)(tai)陽能(neng)電(dian)池在生產過(guo)程中耗(hao)能(neng)較高,尤其是原材料的(de)支配,以(yi)及(ji)硅要達到(dao)99.9999%純化,這(zhe)個純化過(guo)程也需(xu)要耗(hao)能(neng)。

他(ta)說:“硅基太(tai)陽能(neng)(neng)(neng)(neng)電(dian)(dian)池(chi)要使用6~7年(nian)才能(neng)(neng)(neng)(neng)把生(sheng)產(chan)過程中的耗(hao)能(neng)(neng)(neng)(neng)收(shou)回(hui)(hui)來,而有(you)機聚合(he)物太(tai)陽能(neng)(neng)(neng)(neng)電(dian)(dian)池(chi)的能(neng)(neng)(neng)(neng)耗(hao)大概一年(nian)左右就可以收(shou)回(hui)(hui),但存(cun)在穩定(ding)性(xing)問題,導(dao)致(zhi)使用壽(shou)(shou)命不長,反觀硅基太(tai)陽能(neng)(neng)(neng)(neng)電(dian)(dian)池(chi)使用壽(shou)(shou)命可達20年(nian)。

不同太(tai)陽能電(dian)(dian)(dian)池結(jie)(jie)構不一(yi)樣,比如有(you)(you)機(ji)聚合物(wu)太(tai)陽能電(dian)(dian)(dian)池的(de)(de)有(you)(you)機(ji)光敏(min)帶由(you)P型有(you)(you)機(ji)半導(dao)(dao)體(容易(yi)給出電(dian)(dian)(dian)子(zi))構成(cheng)的(de)(de)給體、N型半導(dao)(dao)體(容易(yi)接收電(dian)(dian)(dian)子(zi))構成(cheng)的(de)(de)受體組(zu)成(cheng),形(xing)成(cheng)很薄的(de)(de)柔性活性層(ceng),在(zai)外電(dian)(dian)(dian)路接通下產(chan)生(sheng)光電(dian)(dian)(dian)流。鈣鈦(tai)礦太(tai)陽能電(dian)(dian)(dian)池與有(you)(you)機(ji)聚合物(wu)太(tai)陽能電(dian)(dian)(dian)池類似,具有(you)(you)三明(ming)治(zhi)結(jie)(jie)構,主要的(de)(de)不同在(zai)于(yu)光敏(min)層(ceng),它是有(you)(you)機(ji)無(wu)機(ji)雜化構成(cheng)的(de)(de)鈣鈦(tai)礦結(jie)(jie)構。

2017年,英國、意(yi)大(da)利(li)、西班牙(ya)等7個(ge)國家的15家企業研(yan)究(jiu)機構(gou)組(zu)(zu)成歐(ou)洲(zhou)Powerweave研(yan)發團隊,開展基(ji)于染料敏化(hua)纖維(wei)材(cai)料太陽能光伏電池技術(shu)(shu)和電能儲存纖維(wei)材(cai)料薄膜蓄電池技術(shu)(shu)的有機組(zu)(zu)合的原位集成技術(shu)(shu)研(yan)究(jiu)。

來自(zi)中(zhong)國科學(xue)院寧波(bo)材料技術(shu)與工(gong)程研究(jiu)(jiu)所(suo)研究(jiu)(jiu)員葛子(zi)義團(tuan)隊發現,當前(qian)大多數有機(ji)(ji)太陽(yang)能電(dian)池的(de)研究(jiu)(jiu)結果都是基于剛性的(de)氧化錫(ITO)玻(bo)璃基板。然而,ITO在(zai)塑料基板上存在(zai)導(dao)電(dian)性差和(he)機(ji)(ji)械脆性等(deng)問題,另外(wai)ITO通(tong)常在(zai)高溫下通(tong)過真空濺射進行(xing)加工(gong),這使得其價格昂貴,不利(li)于采用大面(mian)積印刷和(he)卷對卷來制備。

為此(ci),葛子義(yi)團隊(dui)開(kai)發(fa)了低溫(wen)酸(suan)處理PEDOT/PSS電(dian)極替代(dai)需要高溫(wen)濺(jian)射且昂貴的(de)ITO電(dian)極。團隊(dui)稱,這類全溶液加工的(de)柔性有機(ji)太陽能(neng)電(dian)池非(fei)常符合卷對卷印刷和刮涂等(deng)大面積制備工藝的(de)技(ji)術(shu)要求,為有機(ji)太陽能(neng)電(dian)池低成本柔性化制備提供了重要的(de)參考(kao)途徑。

提升光電轉換效率

葛子義團(tuan)隊利用全溶液加(jia)工(gong)技術,采用PBDB-T和IT-M非富勒烯(xi)活(huo)性層,制備(bei)了全濕(shi)法加(jia)工(gong)非ITO的單(dan)結柔(rou)性有機(ji)太(tai)陽能電池(chi),電池(chi)的能量(liang)轉換(huan)效率達到10.12%。

2019年11月,陳永勝團隊在(zai)《自然—電(dian)子學》發表文章,介(jie)紹了團隊制(zhi)備出同時具(ju)有高導(dao)電(dian)、高透光且低表面粗(cu)糙度的銀納米線柔(rou)性(xing)(xing)透明電(dian)極(ji),將(jiang)其用(yong)于構筑柔(rou)性(xing)(xing)有機(ji)太陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi),與(yu)使用(yong)商業(ye)氧化銦錫玻璃(li)電(dian)極(ji)的器件性(xing)(xing)能(neng)相當,光電(dian)轉化效率(lv)可(ke)達16.5%,刷新了當時文獻(xian)報道的柔(rou)性(xing)(xing)有機(ji)/高分子太陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)光電(dian)轉化效率(lv)的最(zui)高紀錄(lu)。

有(you)機(ji)聚合(he)物太(tai)陽能電(dian)池的研究興起于20世紀60年代(dai),當時的轉(zhuan)換(huan)效(xiao)率(lv)非常低。李永舫最開始(shi)研究有(you)機(ji)聚合(he)物太(tai)陽能電(dian)池時由(you)于條件不(bu)(bu)太(tai)好,效(xiao)率(lv)也一(yi)直不(bu)(bu)高(gao)。2004年前后,李永舫團隊(dui)開始(shi)思考如何提高(gao)材料的光電(dian)轉(zhuan)換(huan)效(xiao)率(lv)。

“太陽能轉化成電能,首先要(yao)求光(guang)伏材(cai)(cai)料(liao)對光(guang)有較寬和強的吸收(shou),另外給體(ti)材(cai)(cai)料(liao)要(yao)有高(gao)的空(kong)穴遷(qian)移率(lv),受(shou)體(ti)材(cai)(cai)料(liao)要(yao)有高(gao)的電子(zi)遷(qian)移率(lv)。”李永舫回憶道,“我(wo)們(men)當(dang)年選擇了富勒烯衍(yan)生物受(shou)體(ti),其電子(zi)遷(qian)移率(lv)較高(gao),隨(sui)后(hou)我(wo)們(men)的關(guan)注點轉到給體(ti)材(cai)(cai)料(liao)。”

“我們(men)那個時候就(jiu)想到了(le)共軛側(ce)鏈(lian)(lian)這個概念。”李永舫解釋道(dao),“由于共軛高峰的(de)主鏈(lian)(lian)傳輸很快,有了(le)共軛側(ce)鏈(lian)(lian)就(jiu)像(xiang)搭了(le)座橋,使電荷(he)在這條共軛側(ce)鏈(lian)(lian)上傳輸也比(bi)較快,提高空穴遷移(yi)率,進而(er)提升(sheng)光伏性能(neng)。”

近(jin)年來,提(ti)升(sheng)材(cai)料(liao)光電(dian)(dian)(dian)轉化效(xiao)率已成為太陽能(neng)電(dian)(dian)(dian)池的(de)主(zhu)流研(yan)究(jiu)方(fang)向。南開大(da)學(xue)化學(xue)學(xue)院(yuan)教授陳永(yong)勝在柔(rou)性(xing)透明電(dian)(dian)(dian)極(ji)與柔(rou)性(xing)有(you)(you)機太陽能(neng)電(dian)(dian)(dian)池領(ling)域研(yan)究(jiu)中發(fa)現,獲得高(gao)性(xing)能(neng)的(de)柔(rou)性(xing)透明電(dian)(dian)(dian)極(ji)是研(yan)發(fa)高(gao)效(xiao)柔(rou)性(xing)有(you)(you)機光電(dian)(dian)(dian)器件(jian)的(de)前提(ti),也是目前該領(ling)域的(de)核心難題。“因此,如何獲得同時(shi)具有(you)(you)高(gao)導電(dian)(dian)(dian)、高(gao)透光、低表面粗(cu)糙度(du)以(yi)及制備(bei)方(fang)法簡單(dan)、綠(lv)色(se)的(de)柔(rou)性(xing)透明電(dian)(dian)(dian)極(ji),是一項巨大(da)的(de)挑戰。”

多領域的潛在應用

王連洲團隊在(zai)綜述文章里(li)指出,由于太陽光自身的(de)強(qiang)度不(bu)穩定性以及間歇性,促使該領域的(de)科研人員進(jin)一步探索光伏能源生(sheng)成與儲存的(de)集成系(xi)統,促進(jin)了太陽能充電儲能系(xi)統的(de)發展(zhan)。

南京工業大學(xue)先進(jin)材料研究院教授(shou)陳(chen)永華(hua)(hua)告(gao)訴《中國科學(xue)報》:“太(tai)陽(yang)能(neng)充電(dian)儲能(neng)系(xi)統(tong)比(bi)較適合應用于物聯網和人機互動等領(ling)域,前提是需要提升(sheng)光電(dian)轉(zhuan)換(huan)和存儲效率。”此前,陳(chen)永華(hua)(hua)團隊尋找(zhao)并設計出能(neng)夠穩(wen)定鈣鈦(tai)礦結構(gou)的(de)有機胺分子(zi),制備出的(de)層狀鈣鈦(tai)礦太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)光電(dian)轉(zhuan)換(huan)效率得到明顯提升(sheng)。

王(wang)連(lian)洲團隊表(biao)示,相(xiang)比于傳統的剛性(xing)器件,柔(rou)性(xing)薄膜太陽能電(dian)池因低(di)溫制備及易實(shi)現的面板(ban)安裝技術而大(da)大(da)降低(di)了成本。此外,將柔(rou)性(xing)的薄膜光伏(fu)系統與儲能系統結合起(qi)來(lai),不僅可(ke)以實(shi)現便(bian)攜(xie)可(ke)穿戴設備的無(wu)線充電(dian),還可(ke)以極大(da)地提(ti)高電(dian)池的工作時長,實(shi)現更為廣(guang)泛、精細的應用。

中(zhong)(zhong)國科學(xue)院電工研究所副(fu)研究員原郭豐向(xiang)《中(zhong)(zhong)國科學(xue)報》介紹道,柔性太陽能(neng)光(guang)伏發(fa)電與儲(chu)(chu)存一(yi)體(ti)(ti)化技術,具有(you)明顯的(de)(de)表面結(jie)構(gou)適應(ying)性強、易彎曲、重量輕、無需(xu)額外安裝(zhuang)費用(yong)等(deng)優勢,可靈活應(ying)用(yong)于服飾、戶外裝(zhuang)備、建筑物(wu)、交通運輸工具、電子設備等(deng)需(xu)要(yao)遮陽及(ji)復雜結(jie)構(gou)的(de)(de)物(wu)體(ti)(ti)外表面,也可以作為(wei)光(guang)伏發(fa)電儲(chu)(chu)存一(yi)體(ti)(ti)化系(xi)統進(jin)行(xing)使(shi)用(yong)。

原郭豐還指(zhi)出:“柔性太陽(yang)能光(guang)伏(fu)發電與儲存一(yi)體化技術仍然面臨材料(liao)的制備及其(qi)穩定性、復雜(za)條件下材料(liao)壽命、光(guang)電轉(zhuan)化效(xiao)率、充放(fang)電效(xiao)率、安全性以及成本等諸多問題。”

萊科斯(LAILX)致(zhi)力于光(guang)(guang)伏(fu)檢(jian)測(ce)(ce)設(she)備(bei)的研發(fa)與(yu)生產,現(xian)有設(she)備(bei)包(bao)括 EL檢(jian)測(ce)(ce)系列(lie),便(bian)攜式EL檢(jian)測(ce)(ce)儀(yi),組串式EL檢(jian)測(ce)(ce)儀(yi),無人機EL測(ce)(ce)試(shi)儀(yi),IV功率測(ce)(ce)試(shi)系列(lie),便(bian)攜式IV測(ce)(ce)試(shi)儀(yi),電能(neng)質量分析(xi)儀(yi),等相關光(guang)(guang)伏(fu)電站檢(jian)測(ce)(ce)設(she)備(bei)與(yu)光(guang)(guang)伏(fu)產線實(shi)驗室檢(jian)測(ce)(ce)設(she)備(bei)。