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柔性太陽能電池
(2010年上海交通大學出版社出版的圖書)
鎖定
- 書 名
- 柔性太陽能電池
- 作 者
- 帕格利亞諾
- 譯 者
- 高揚 [2]
- 出版社
- 上海交通大學出版社
柔性太陽能電池電池原理
柔性太陽能電池類型介紹
非晶硅
非晶硅(amorphous silicon, a -Si)柔性電池的厚度是晶體硅電池的1/300,可以進一步地降低原材料 成本。非晶硅柔性電池的一個突破時 1997 年提出的三結疊層電池結構,提高了轉換效率和穩定性,穩定後的轉換效率達到8 .0%-8.5%。
以美國 United Solar Ovonic 公司的非晶硅柔性電池為例,非晶硅三結疊層電池結構包含了三層不同帶隙的 p -n 結吸收層。頂電池用 1 .8eV 帶隙的非晶硅 a -Si,吸收藍光。中間電池用 1 .6eV 帶隙的硅鍺合金 a -SiGe,吸收綠光,Ge 的含量為 10%-15%。底電池用 1 .4eV 帶隙的硅鍺合金 a -SiGe, 為 40%-50%吸收紅光和紅外光,Ge 的含量較高。太陽光依次通過三層半導體吸收層後,還有一部分沒有 被吸收的光線,經過 Al/ZnO 的背反射層反射後,回到三層半導體吸收層,再進行一次吸收過程,背反射 層起到陷光作用。這樣非晶硅柔性電池可以更有效地吸收入射光,提高了轉換效率和輸出功率,在低入射光和散射光的條件下,性能更好。
截止2016年國內只有迅力光能在生產非晶硅柔性薄膜電池及組件,轉換效率為8-10%,整體厚度僅為1.5mm。在產品應用上,除了卷對卷式的柔性薄膜組件外,還有摺疊式充電包,擴展了柔性非晶硅的應用。
銅銦鎵硒
20 世紀70 年代中期,人們開始研究銅銦鎵硒(copper indium gallium diselenide,Cu(In,Ga)Se2,CIGS)薄膜電池。CIGS 薄膜屬於黃銅礦結構(chalcopyrite)晶體,其帶 隙可以調節。由於太陽能電池對帶隙的要求是1~1.7eV,通過改變 III 族陽離子 In、Ga、Al 和 VI 族陰 離子 Se、S 的含量,可以按照需要調節CIGS 的帶隙。和非晶硅相比,CIGS 晶體內部缺陷少,性能 更穩定,組件壽命達 25 年。在組件使用過程中,銅離子的移動可以修復缺陷,因此組件性能會不斷地 提高,這和非晶硅的光致衰退效應或S -W 效應(Staebler-Wronskieflect)恰恰相反。
有機
在有機太陽電池(organic photovoltaic, OPV)中,有機半導體吸收介質通常由施主材料和受主材料混合而成。施主材料善於給出電子、吸收空穴,混合後具有正電性,共軛聚合物(conjugated polymer)是典型的施主 材料。受主材料善於吸收電子、給出空穴,混合後具有負電性,富勒烯(fullerene,C 60)是典型的受主材料。
激子(excition)是被束縛的電子- 空穴對,是受激後的準離子(quasiparticle)。受激後,電子和空穴分離,但是電子- 空穴對仍然通過靜電的庫倫力互相吸引,由於庫倫束縛而不能徹底分離,形成激子。激子有兩種,瓦
爾尼- 模特激子(Wannier-Mottexcition)和弗倫克爾激子(Frenkel exciton)。瓦爾尼-模特激子存在於在晶體硅半 導體中,被激發到導帶中的電子和價帶中的空穴形成束縛態,庫倫力較弱,在 0.01eV 左右。弗倫克爾激子存在 於有機介質的施主材料中,之間的庫倫力較強,在0.3eV 左右。
染料敏化
早在 20 世紀 70 年代,人們就希望通過模擬光合作用,開發出新型太陽能電池。那時,人們在半導體晶體 材料二氧化鈦(titanium dioxide, TiO2 )表面,包裹一層葉綠素(chlorophyll)染料。雖然提出了染料敏化太 陽能電池(dye-sensitized solar cell, DSC)的概念,但是由於電子在葉綠素中輸運困難,轉換效率只有0 .01%。
直到 1991 年,瑞士化學家 Michael Gratzel 運用納米技術,才推動了染料敏化電池的實質性發展。Gratzel 把大顆粒的 TiO2 晶體,替換成直徑 20nm 的小顆粒海綿狀 TiO2 ,外層包裹染料薄層,形成 10um 厚的光學透明薄膜。第一次製成的染料敏化電池,其轉換效率就已經達到了7 .1%,電流密度達到 12mA/cm^2。 而現 在,染料敏化電池轉換效率的世界紀錄是11%。
在染料敏化電池的結構中,光敏劑( photosensitizer)通過羧基( crboxyl,-COOH)、磷酸基( phosphonic acid,-PO3H2)或硼酸基(boronic acid –B(OH)2)功能團,覆蓋在TiO2 顆粒表面,形成電荷轉移絡合物(charge transfer complex),再浸泡在氧化還原介體(redox mediator)溶液中,TCO 玻璃和金屬襯底分別作為陰極和陽 極。光敏劑吸收入射光,基態中的So 中的電子被激發到高能態S*,在 fs 到 ps 時間內,光敏劑中的電子進入 TiO2 的導帶,光敏劑失去電子,被氧化,成為S+。氧化還原介體從金屬陽極得到電子,再對光 敏劑提供電子,使之還原,回到 So.TiO2 導帶上的自由電子,通過 TCO 陰極和電路,來到金屬陽極,2 個電極之間形成電流,驅動電路中的負載。
柔性太陽能電池記事
2023年5月,中國科學院消息,中國科學家通過合作成功破解了硅片的“力學短板”,顯著提升硅片“柔韌性”,研發出柔性單晶硅太陽電池技術,在此基礎上實現柔性單晶硅太陽電池製造,並已驗證批量生產的可行性。
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柔性太陽能電池內容簡介
柔性太陽能電池是世界太陽能產業的新興技術,《柔性太陽能電池》將為讀者介紹各種類型柔性太陽能電池的原理概念、基本工藝和市場應用。《柔性太陽能電池》的特點是篇幅內容簡練、圖片數據豐富、行業信息詳實。除了柔性太陽能電池,《柔性太陽能電池》還簡要地介紹了薄膜太陽能電池、第三代太陽能電池等新型太陽能電池。
進入21世紀,隨着人們對全球氣候變暖問題的關注,太陽能產業在世界各國蓬勃地發展起來。作為全球最大的太陽能電池生產國,中國不但希望為世界提供更加廉價的太陽能電池,更加希望提升太陽能電池生產的技術含量,進一步實現經濟增長方式的轉變。
《柔性太陽能電池》是一本入門級的參考書,適合在校師生、工程技術人員、風險投資人士或其他對太陽能感興趣的讀者閲讀。
- 參考資料
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- 1. 旭科新能源:柔性太陽能電池生產企業創業記 .人民網.2017年09月28日[引用日期2017-11-03]
- 2. 柔性太陽能電池 .豆瓣[引用日期2020-03-15]
- 3. 我科學家研製出新型柔性太陽能電池 .新華網.2016-03-19[引用日期2016-03-19]
- 4. 成功破解硅片“力學短板” 中國科學家實現柔性太陽電池製造 .中國新聞網[引用日期2023-05-25]