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一文讀懂太陽能電池的過去、現在和未來

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2021年12月15日  

幾個世紀以來,人類一直在利用太陽的力量,從聚光鏡到玻璃集熱器,各種各樣的巧妙方法。現代太陽能電池技術的基礎是亞歷山大·貝克勒爾(AlexandreBecquerel)于1839年建立的,當時他觀察了某些材料的光電效應。表現出光電效應的材料在暴露于光時會發射電子,從而將光能轉換為電能。1883年,查爾斯·弗里特(CharlesFritt)通過在硒上涂上一層很薄的金來設計了一個光伏電池。這種基于金-硒結的太陽能電池的效率為1%。亞歷山大·斯托列托夫(AleksandrStoletov)于1988年根據外部光電效應創建了一個電池。


愛因斯坦在1904年發表的有關光電效應的論文拓寬了太陽能電池的研究范圍,貝爾實驗室于1954年生產了第一個現代光電電池。它們的效率達到了4%,但仍無法達到成本效益,因為可以使用更便宜的替代品:煤。然而,事實證明,這項技術具有成本效益,非常適合為太空飛行任務提供動力。1959年,霍夫曼(Hoffman)電子成功制造出效率為10%的太陽能電池。


太陽能電池技術逐漸變得更加有效,到1970年代,在地面上使用太陽能電池板變得可行。在接下來的幾年中,太陽能電池模塊的成本顯著降低,并且其使用變得更加廣泛。隨著時間的推移,晶體管時代的到來以及隨后的半導體技術的實現,使太陽能電池的效率大大提高。


第一代太陽能電池


常規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了商業市場。單元的結構可以是單晶或多晶的。單晶太陽能電池是通過切克勞斯基(Czochralski)工藝由硅酮晶體構成的。硅晶體是從大錠上切下來的。單晶的發展需要精確的處理,因為電池的“重結晶”階段非常昂貴且復雜。這些電池的效率約為20%。多晶硅太陽能電池通常由許多不同的晶體組成,在制造過程中,這些晶體在一個電池中組合在一起。多晶硅電池更經濟,因此迄今為止最受歡迎。


第二代太陽能電池


第二代太陽能電池安裝在建筑物和獨立系統中。電力公司也傾向于太陽能電池板中的這項技術。這些電池使用薄膜技術,并且比第一代基于晶圓的電池經濟得多。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)


非晶硅薄膜太陽能電池已經投放市場超過20年,a-Si可能是最成熟的薄膜太陽能電池技術。在非晶(a-Si)太陽能電池生產過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,因為它們的結構不如結晶晶片。它們是通過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構的化合物半導體。這對于光吸收是極好的,因此效率顯著提高。在整個生命周期的基礎上,該技術更便宜,碳足跡最小,用水最少,回收期更短。盡管鎘是有毒的,但這可以通過材料回收來解決。然而,仍然存在對此的關注,因此廣泛使用受到限制。


CIGS電池是通過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。電極兩側均安裝有電流以收集電流。由于高吸收系數并因此強烈吸收了陽光,因此該材料需要比其他半導體材料薄得多的薄膜。CIGS電池非常經濟且非常有效。


第三代太陽能電池


第三代太陽能電池包括旨在超越Shockley-Queisser(SQ)限制的最新新興技術。這是單個pn結太陽能電池可以達到的最大理論效率(31%至41%)。當前,最流行,最先進的新興太陽能電池技術包括:


1.量子點太陽能電池


2.染料敏化太陽能電池


3.聚合物基太陽能電池


4.鈣鈦礦基太陽能電池


量子點(QD)太陽能電池由過渡金屬基半導體的納米晶體組成。將納米晶體在溶液中混合,然后分層到硅襯底上。通常,光子將通過在常規化合物半導體太陽能電池中創建單個電子空穴對來激發電子。但是,如果光子擊中特定半導體材料的QD,則會產生幾對(通常是兩對或三對)電子空穴。


染料敏化太陽能電池(DSSC)最早是在1990年代開發的,具有廣闊的發展前景。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點。它們是透明的,并在很寬的溫度范圍內保持穩定性和固態。據報道這些電池的效率高達13%。


聚合物太陽能電池被認為是“柔性”太陽能電池,因為所使用的基材是聚合物或塑料。它們由薄薄的功能層組成,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材料。聚合物太陽能電池的特殊屬性為開發包括紡織品和織物在內的可拉伸太陽能設備開辟了新的門戶。


基于鈣鈦礦的太陽能電池是相對較新的創新,它們基于鈣鈦礦化合物(兩種陽離子和鹵化物的組合)。這些太陽能電池基于最先進的技術,效率約為31%。它們具有極大地改變汽車工業的潛力,但是這些電池的穩定性仍然存在問題。


從基于硅晶片的電池到最新的“新興”太陽能電池技術,太陽能電池技術顯然已經走了很長一段路。這些進步無疑將在減少碳足跡并最終實現可持續能源夢想方面發揮重要作用。基于納米晶體量子點的技術具有將全部太陽光譜的60%以上轉化為電能的理論潛力。此外,基于聚合物的柔性太陽能電池開辟了可能性的領域。新興技術的主要問題是隨著時間的推移不穩定和退化。但是,正在進行的研究顯示出希望,這些最新的太陽能電池模塊的廣泛商業化可能還差得很遠。


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