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    【科普天地】太阳能电池概述

    发布时间:2020-09-02 01:03编辑:来源:机械配件点击:1297

      随着人类社会的不断发展,人们对能源的需求日益增长。然而随着石油、天然气、煤矿等不可再生能源的不断消耗,传统化石能源已接近枯竭。从二十世纪七十年代第一次石油危机的爆发开始,可再生能源备受人们的关注,如风能、太阳能、地热能和潮汐能等。其中,太阳能作为一种永不枯竭的绿色清洁能源,得到了广泛的科学研究。

      目前人们对太阳能的利用主要分为光热转换和光电转换这两种方式。其中光热转换是目前最常用的手段,通过吸收、反射等各种方式将太阳辐射能量集中起来,从而转换成温度,以满足各种不同的需求,如太阳能热水装置、温室、蒸发池等。光电转换的原理是通过光生伏打效应使太阳能转化为电能,光生伏打原理即是指当半导体材料接收太阳光照吸收光子能量,从而其内部的电荷分布发生变化,从而产生电动势和电流。根据美国国家能源部公布的最新数据显示,太阳电池效率可以高达46%。而最新的研究前沿是将太阳能转化为化学能,利用半导体材料吸收光照,催化产生氢气,得到可燃烧的清洁能源,但是目前的研究还不完善,还需要进一步的发展。

      图1.太阳能电池实物图

      图2.美国国家能源部可再生能源实验室NREL太阳能电池效率表(2019)

      早在1883年,Charles Ffitts利用硒半导体制备了首个太阳能电池,器件的转换效率仅为1%。在1954年,贝尔实验室制备出第一个具备实际应用价值的硅基太阳能电池,再经过多年的发展,硅基太阳能电池已经投入到实际应用中,并在太阳能电池产业中占有主导地位。然而尽管硅基太阳能电池具有较高的能量转换效率,但是仍然存在着如硅材料价格昂贵、制备工艺复杂、能耗大和污染严重等问题,这些都严重制约了硅基太阳能电池的大规模生产应用。近年来有越来越多的研究者投入到新型非硅基太阳能电池的开发中。

      发展到目前,太阳能电池可以分为以下三代。

      第一代为晶体硅太阳能电池,包括单晶硅电池和多晶硅电池,经过半个多世纪的不断发展,器件的能量转换效率大大提高了,制造成本不断降低。单晶硅太阳能电池作为目前发展最为成熟的太阳能电池,其电池结构、制备工艺都己完善成型,广泛的应用在我们的生活生产中。目前制备的单结非聚光的单晶硅太阳能电池的经NREL认证的最高能量转换效率达到了25%。单晶硅电池的制备需要纯度达到99.999%的单晶硅棒,然而高纯度的单晶硅提取难度大,制备工艺复杂,制造成本昂贵,大大增加了单晶硅电池的生产成本。多晶硅太阳能电池用到的多晶硅材料一般是将含有大量单晶颗粒的聚集体、冶金级的硅材料或是废次的单晶硅材料通过熔化浇注的方法得到。相比较高纯度的单晶硅制备,多晶硅的生产大大降低了硅材料生产过程中的能耗,节约了生产成本。目前单结多晶硅电池的经NREL认证的最高效率达到了20.4%,具有很广阔的应用前景。

      图3.(a)单晶硅太阳能电池,(b)多晶硅太阳能电池

      第二代为薄膜太阳能电池,包括化合物半导体薄膜电池和非晶硅薄膜电池,这类薄膜电池在高温下衰减很小,并且在弱光,如早晚、多云、阴天等条件下,仍然可以工作。这些都是优于晶体硅太阳能电池的,但是晶体硅太阳能电池的能量转换效率更高,环境稳定性更好。常见的化合物半导体薄膜太阳能电池有以下这几类:1.碲化镉薄膜太阳能电池;2.铜铟硒薄膜太阳能电池;3.铜铟镓硒薄膜太阳能电池;4.铜锌锡硫薄膜太阳能电池。非晶硅材料是直接带隙材料,具有高的光吸收系数,能够有效的利用太阳光,另外具有薄膜电池的制备工艺简单,成本低廉等特点,愈发的受到研究者们的关注。目前,非晶硅薄膜电池经NREL认证的最高效率为13.6%。然而,由于非晶硅材料的缺陷很多,导致了非晶硅薄膜电池的稳定性不高,效率衰减严重且能量转换效率较低,严重制约了非晶硅薄膜电池的推广应用。因此如果要提高非晶硅薄膜电池的稳定性和能量转换效率,非晶硅材料的缺陷是必需要解决的问题。

      第三代为新型太阳能电池,这是基于前两代电池的基础上,提出的高效率、低成本、寿命长和环境友好的太阳能电池。通过应用新颖的器件结构以及引入新材料以达到提高太阳能电池器件转换效率的目的。目前主要包括染料敏化电池、有机太阳能电池和钙钛矿太阳能电池。

      1991年,由瑞士Gratzel教授提出一种模仿光合作用原理的染料敏化太阳能电池一经问世就受到了广泛的关注,其制备工艺简单、制备成本低廉、具有较好的稳定性、对环境友好、可制备柔性器件。经过这几十年的不断发展,染料敏化太阳能电池的制备成本不断降低,目前大约只有硅基太阳能电池的1/10~1/5;器件的稳定性也得到了提高,目前的器件的稳定性可以达到15~20年。目前染料敏化太阳能电池经NREL认证的器件能量转换效率达到了11.9%,尽管其能量转换效率相比较其它无机薄膜太阳能电池还比较低,但是由于其极高的性价比,理论计算的发电成本基本同化石燃料相当,具有很好的应用前景。

      有机聚合物薄膜太阳能电池作为一种新型的太阳能电池,具有成本低廉、制备工艺简单、器件重量轻和可制成柔性器件等优点,受到了人们的广泛关注。1986年,C.W Tang首次利用对可见光有高吸收的有机染料四羧基茈的衍生物和酞菁铜制备出双层膜异质结器件,当时的器件能量转换效率达到1%。目前,单结有机聚合物薄膜太阳能电池的最高能量转换效率已经到达11.7%,具有良好的应用前景。

      有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池由染料敏化太阳能电池演化而来,2009年由日本科学家Miyasaka等人首次将这种有机一无机杂化钙钛矿材料(CH3NH3PbX3,X=Cl,Br,I)应用到敏化太阳能电池中作为吸光材料,取得了3.8%的效率。有机-无机杂化钙钛矿材料的结构示意图如图所示。尽管这种材料在电解质中很容易分解,器件在几分钟后就彻底没有效率,还是很快的引起了全世界研究者们的关注,经过短短几年的发展,基于有机-无机杂化钙钛矿材料的太阳能电池器件己经从3.8%猛增至22.1%。钙钛矿太阳能电池器件具有制备工艺简单,便于大规模生产,且成本低廉等优点。另外这种有机—无机杂化钙钛矿材料本身的性质也十分优异,如物理性能优越,化学稳定性逐渐优化。

      图4.有机-无机杂化钙钛矿材料晶体结构图,A=CH3NH3;B=Pb;X=I,Br,C1




      太阳能电池