太阳能电池技术的发展:过去,现在和未来

太阳能电池技术的发展,从晶硅电池到新兴的研究。

  几个世纪以来,人类一直在利用太阳的能量,使用各种巧妙的方法,从聚光镜到玻璃热阱。太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置,发展历史悠久且前景广阔。

Solar_science_Main.jpg

  现代太阳能电池技术的基础是亚历山大·贝克勒尔(Alexandre Becquerel)于1839在某些材料中观察到光电效应的基础上提出的,具有光电效应的材料在暴露于光时会发射电子,从而将光能转换为电能。

  1883年,查尔斯·弗里特设计了一种光伏电池,在硒表面镀上一层非常薄的金,这种金硒结太阳能电池的效率为1%。

  1988年,亚历山大·贝克勒尔根据外部光电效应创建了一个电池。

  1904年,爱因斯坦关于光电效应的论文扩大了太阳能电池的研究范围。

  1954年,贝尔实验室生产了第一台现代光伏电池,他们达到了4%的效率,但仍然没有成本效益,因为有更便宜的替代品:煤炭。然而,这项技术被证明具有成本效益,非常适合为空间任务提供动力。

  1959年,霍夫曼电子公司成功地制造出了效率为10%的太阳能电池。

  到了20世纪70年代,太阳能电池技术逐渐变得更加高效,太阳能电池板在陆地上的应用变得可行。在接下来的几年里,太阳能电池组件的成本大大降低,它们的使用变得更加广泛。

  随着时间的推移,晶体管时代的到来以及随后的半导体技术使得太阳能电池的效率大幅提升。

  第一代——晶硅太阳能电池

  传统的晶硅电池属于第一代电池,这些基于晶体硅的电池占据了商业市场的主导地位。

  电池的结构可以是单晶体或多晶体。单晶硅太阳能电池是由硅晶体经提拉法制成的,硅晶体是从大钢锭上切下来的。单晶的发展需要精确的处理,因为“再结晶”阶段的电池是相当昂贵和复杂的,这些电池大约有20%的效率。多晶硅太阳能电池通常由许多不同的晶体组成,在制造过程中在一个电池中组合在一起,多晶硅电池更经济,因此迄今为止最受欢迎。

  第二代——薄膜太阳能电池

  第二代太阳能电池安装在建筑和独立系统中,电力公司也倾向于太阳能电池板的这项技术。这些电池采用薄膜技术,比第一代晶圆电池经济得多。硅片的吸光层厚度约为350μm,而薄膜电池的厚度约为1μm。第二代太阳能电池的三种常见类型是:

  非晶硅(a-Si)

  碲化镉(CdTe)

  二硒化铟镓铜(CIGS)

  非晶硅薄膜太阳能电池已经上市20多年了,非晶硅可能是最成熟的薄膜太阳能电池技术。非晶太阳能电池生产过程中的低加工温度允许使用各种低成本聚合物和其他柔性基板,这些基板需要较少的处理能量。“非晶”这个词是用来形容这些电池的,因为它们不像晶片那样结构良好,它们是通过在衬底背面涂覆掺杂的硅含量而制成的。

  CdTe是一种具有直接带隙晶体结构的化合物半导体,这对光吸收非常好,因此效率显著提高。这项技术成本较低,碳足迹最少,用水量最低,在生命周期基础上所有太阳能技术的回收期较短。虽然镉是有毒的,但这是由回收利用的材料。不过尽管如此,人们仍然对其感到担忧,因此其广泛使用受到限制。

  CIGS电池是通过在塑料或玻璃基片上沉积一薄层铜、铟、镓和硒而制成的,电极安装在两侧以收集电流。由于高吸收系数和随之而来的强烈吸收阳光,这种材料需要比其他半导体材料薄得多的薄膜,CIGS电池经济高效。

  第三代太阳能电池——新兴技术

  第三代太阳能电池包括旨在超越Shockley-Queisser(SQ)极限的最新新兴技术,这是单个p-n结太阳能电池能达到的最大理论效率(31%到41%)。目前,最流行、最先进的新兴太阳能电池技术包括:

  量子点太阳能电池

  染料敏化太阳能电池

  聚合物太阳能电池

  钙钛矿太阳能电池

  量子点(QD)太阳能电池是由过渡金属基半导体纳米晶组成,纳米晶体在溶液中混合,然后在硅衬底上分层。通常情况下,光子会通过在传统的复合半导体太阳电池中产生一个电子-空穴对来激发电子。然而,如果一个光子击中一个特定半导体材料的量子点,就可以产生多对(通常是两个或三个)电子空穴。

  染料敏化太阳能电池(DSSC)是20世纪90年代发展起来的,具有广阔的应用前景。它们的工作原理是人工光合作用,由电极间的染料分子组成。这些电池具有成本效益高和易于加工的优点,它们是透明的,在很宽的温度范围内保持稳定和固态。据报道,这些电池的效率高达13%。

  聚合物太阳能电池被认为是“柔性”太阳能电池,因为使用的基板是聚合物或塑料。它们由薄的功能层组成,这些功能层串联在一起,并涂在带状物或聚合物箔上,它通常是供体(聚合物)和受体(富勒烯)的组合。有不同类型的阳光吸收材料,包括有机材料,如共轭聚合物。聚合物太阳能电池的特殊特性为开发包括纺织品和织物在内的可拉伸太阳能器件开辟了一个新的门户。

  钙钛矿太阳能电池是一项相对较新的创新,它们基于钙钛矿化合物(两种阳离子和卤化物的组合)。这些太阳能电池基于最先进的技术,效率约为31%。它们有可能给汽车工业带来重大变革,但这些电池的稳定性仍然存在问题。

  从晶硅电池到最新的“新兴”太阳能电池技术,太阳能电池技术显然已经走过了漫长的道路。这些进展无疑将在减少碳足迹、最终实现可持续能源梦想方面发挥重要作用。基于纳米晶体QD的技术理论上有潜力将超过60%的太阳光谱转化为电能,聚合物基柔性太阳能电池开辟了一个可能的领域。随着时间的推移,新兴技术的主要问题是不稳定和退化,然而,正在进行的研究显示出了希望,而这些最新太阳能电池组件的广泛商业化可能并不遥远。

  自新型冠状病毒肺炎疫情爆发以来,传感器专家网一直密切关注疫情进展,根据国家及地方政府的最新调控与安排,为更好的服务相关企业,在疫情期间,传感器专家网免费发布企业相关文章,免费成为传感器专家网认证作者,请点击认证,大家同心协力,抗击疫情,为早日打赢这场防控攻坚战贡献自己的一份力量。

点 赞

分享:

其他媒介

针对性更强,满足行业在实际应用的各种专业化的需求,传感器专家网为您提供方便快捷的传感器产品及相关资讯垂直搜索服务。

参与评论已发布评论0

0/500

发表评论

评论区

加载更多

传感世界

关注传感器世界中的一切动态。