鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量:1113次 | 2021年12月15日
一文讀懂太陽(yáng)能電池的過(guò)去、現(xiàn)在和未來(lái)
幾個(gè)世紀(jì)以來(lái),人類一直在利用太陽(yáng)的力量,從聚光鏡到玻璃集熱器,各種各樣的巧妙方法?,F(xiàn)代太陽(yáng)能電池技術(shù)的基礎(chǔ)是亞歷山大·貝克勒爾(AlexandreBecquerel)于1839年建立的,當(dāng)時(shí)他觀察了某些材料的光電效應(yīng)。表現(xiàn)出光電效應(yīng)的材料在暴露于光時(shí)會(huì)發(fā)射電子,從而將光能轉(zhuǎn)換為電能。1883年,查爾斯·弗里特(CharlesFritt)通過(guò)在硒上涂上一層很薄的金來(lái)設(shè)計(jì)了一個(gè)光伏電池。這種基于金-硒結(jié)的太陽(yáng)能電池的效率為1%。亞歷山大·斯托列托夫(AleksandrStoletov)于1988年根據(jù)外部光電效應(yīng)創(chuàng)建了一個(gè)電池。
愛因斯坦在1904年發(fā)表的有關(guān)光電效應(yīng)的論文拓寬了太陽(yáng)能電池的研究范圍,貝爾實(shí)驗(yàn)室于1954年生產(chǎn)了第一個(gè)現(xiàn)代光電電池。它們的效率達(dá)到了4%,但仍無(wú)法達(dá)到成本效益,因?yàn)榭梢允褂酶阋说奶娲罚好?。然而,事?shí)證明,這項(xiàng)技術(shù)具有成本效益,非常適合為太空飛行任務(wù)提供動(dòng)力。1959年,霍夫曼(Hoffman)電子成功制造出效率為10%的太陽(yáng)能電池。
太陽(yáng)能電池技術(shù)逐漸變得更加有效,到1970年代,在地面上使用太陽(yáng)能電池板變得可行。在接下來(lái)的幾年中,太陽(yáng)能電池模塊的成本顯著降低,并且其使用變得更加廣泛。隨著時(shí)間的推移,晶體管時(shí)代的到來(lái)以及隨后的半導(dǎo)體技術(shù)的實(shí)現(xiàn),使太陽(yáng)能電池的效率大大提高。
第一代太陽(yáng)能電池
常規(guī)的基于晶片的電池屬于第一代類別。這些基于晶體硅的電池主導(dǎo)了商業(yè)市場(chǎng)。單元的結(jié)構(gòu)可以是單晶或多晶的。單晶太陽(yáng)能電池是通過(guò)切克勞斯基(Czochralski)工藝由硅酮晶體構(gòu)成的。硅晶體是從大錠上切下來(lái)的。單晶的發(fā)展需要精確的處理,因?yàn)殡姵氐摹爸亟Y(jié)晶”階段非常昂貴且復(fù)雜。這些電池的效率約為20%。多晶硅太陽(yáng)能電池通常由許多不同的晶體組成,在制造過(guò)程中,這些晶體在一個(gè)電池中組合在一起。多晶硅電池更經(jīng)濟(jì),因此迄今為止最受歡迎。
充電溫度:0~45℃
-放電溫度:-40~+55℃
-40℃最大放電倍率:1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
第二代太陽(yáng)能電池
第二代太陽(yáng)能電池安裝在建筑物和獨(dú)立系統(tǒng)中。電力公司也傾向于太陽(yáng)能電池板中的這項(xiàng)技術(shù)。這些電池使用薄膜技術(shù),并且比第一代基于晶圓的電池經(jīng)濟(jì)得多。硅晶片的光吸收層的厚度約為350μm,而薄膜電池的厚度約為1μm。第二代太陽(yáng)能電池的三種常見類型是:
1.非晶硅(a-Si)
2.碲化鎘(CdTe)
3.硒化銅銦鎵(CIGS)
標(biāo)稱電壓:28.8V
標(biāo)稱容量:34.3Ah
電池尺寸:(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域:勘探測(cè)繪、無(wú)人設(shè)備
非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池已經(jīng)投放市場(chǎng)超過(guò)20年,a-Si可能是最成熟的薄膜太陽(yáng)能電池技術(shù)。在非晶(a-Si)太陽(yáng)能電池生產(chǎn)過(guò)程中的低處理溫度允許使用各種低成本的聚合物和其他柔性基板。這些基板需要較少的處理能量。“非晶”一詞用于描述這些電池,因?yàn)樗鼈兊慕Y(jié)構(gòu)不如結(jié)晶晶片。它們是通過(guò)在襯底背面涂覆摻雜的硅含量制成的。
CdTe是具有直接帶隙晶體結(jié)構(gòu)的化合物半導(dǎo)體。這對(duì)于光吸收是極好的,因此效率顯著提高。在整個(gè)生命周期的基礎(chǔ)上,該技術(shù)更便宜,碳足跡最小,用水最少,回收期更短。盡管鎘是有毒的,但這可以通過(guò)材料回收來(lái)解決。然而,仍然存在對(duì)此的關(guān)注,因此廣泛使用受到限制。
CIGS電池是通過(guò)在塑料或玻璃基板上沉積一層薄薄的銅,銦,鎵和硒化物制成的。電極兩側(cè)均安裝有電流以收集電流。由于高吸收系數(shù)并因此強(qiáng)烈吸收了陽(yáng)光,因此該材料需要比其他半導(dǎo)體材料薄得多的薄膜。CIGS電池非常經(jīng)濟(jì)且非常有效。
第三代太陽(yáng)能電池
第三代太陽(yáng)能電池包括旨在超越Shockley-Queisser(SQ)限制的最新新興技術(shù)。這是單個(gè)pn結(jié)太陽(yáng)能電池可以達(dá)到的最大理論效率(31%至41%)。當(dāng)前,最流行,最先進(jìn)的新興太陽(yáng)能電池技術(shù)包括:
1.量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池
2.染料敏化太陽(yáng)能電池
3.聚合物基太陽(yáng)能電池
4.鈣鈦礦基太陽(yáng)能電池
量子點(diǎn)(QD)太陽(yáng)能電池由過(guò)渡金屬基半導(dǎo)體的納米晶體組成。將納米晶體在溶液中混合,然后分層到硅襯底上。通常,光子將通過(guò)在常規(guī)化合物半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池中創(chuàng)建單個(gè)電子空穴對(duì)來(lái)激發(fā)電子。但是,如果光子擊中特定半導(dǎo)體材料的QD,則會(huì)產(chǎn)生幾對(duì)(通常是兩對(duì)或三對(duì))電子空穴。
染料敏化太陽(yáng)能電池(DSSC)最早是在1990年代開發(fā)的,具有廣闊的發(fā)展前景。它們按照人工光合作用的原理工作,由電極之間的染料分子組成。這些電池具有成本效益,并具有易于加工的優(yōu)點(diǎn)。它們是透明的,并在很寬的溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定性和固態(tài)。據(jù)報(bào)道這些電池的效率高達(dá)13%。
聚合物太陽(yáng)能電池被認(rèn)為是“柔性”太陽(yáng)能電池,因?yàn)樗褂玫幕氖蔷酆衔锘蛩芰稀K鼈冇杀”〉墓δ軐咏M成,這些薄層依次連接并涂覆在帶或聚合物箔上。它通常是供體(聚合物)和受體(富勒烯)的組合。存在多種類型的日光吸收材料,包括諸如共軛聚合物的有機(jī)材料。聚合物太陽(yáng)能電池的特殊屬性為開發(fā)包括紡織品和織物在內(nèi)的可拉伸太陽(yáng)能設(shè)備開辟了新的門戶。
基于鈣鈦礦的太陽(yáng)能電池是相對(duì)較新的創(chuàng)新,它們基于鈣鈦礦化合物(兩種陽(yáng)離子和鹵化物的組合)。這些太陽(yáng)能電池基于最先進(jìn)的技術(shù),效率約為31%。它們具有極大地改變汽車工業(yè)的潛力,但是這些電池的穩(wěn)定性仍然存在問(wèn)題。
從基于硅晶片的電池到最新的“新興”太陽(yáng)能電池技術(shù),太陽(yáng)能電池技術(shù)顯然已經(jīng)走了很長(zhǎng)一段路。這些進(jìn)步無(wú)疑將在減少碳足跡并最終實(shí)現(xiàn)可持續(xù)能源夢(mèng)想方面發(fā)揮重要作用?;诩{米晶體量子點(diǎn)的技術(shù)具有將全部太陽(yáng)光譜的60%以上轉(zhuǎn)化為電能的理論潛力。此外,基于聚合物的柔性太陽(yáng)能電池開辟了可能性的領(lǐng)域。新興技術(shù)的主要問(wèn)題是隨著時(shí)間的推移不穩(wěn)定和退化。但是,正在進(jìn)行的研究顯示出希望,這些最新的太陽(yáng)能電池模塊的廣泛商業(yè)化可能還差得很遠(yuǎn)。