《太陽能電池的分類及其發(fā)展綜述》2900字

太陽能電池的分類及其發(fā)展綜述1.1硅基太陽能電池按照太陽能電池的發(fā)展順序，第一類太陽能電池為硅基太陽能電池，其往下又可以準確細化為非晶硅太陽能電池，單晶硅太陽能電池和多晶硅太陽能電池這三大類。單晶硅太陽能電池本身的光電效率效果最好，它的效率在實驗室中可以高達30%以上，即使是在大規(guī)模商業(yè)批量生產(chǎn)中，也可以實現(xiàn)驚人的26%以上。但是在如此高的光電轉(zhuǎn)換效率背后也存在一個嚴重的弊端，就是制作單晶硅太陽能電池原料供給比較昂貴，高純度的單晶硅棒使得企業(yè)舉步維艱。因此，其現(xiàn)在除被一些特定的儀器需求外，很難被大規(guī)模生產(chǎn)出來。因此，在其發(fā)展之上，多晶硅太陽能電池帶著使命出世了，多晶硅太陽能電池有著不錯的15%的效率，難能可貴的是它將單晶硅太陽能電池成本大的弊端有效的降低了下來。正因如此，多晶硅太陽電池得到了蓬勃的發(fā)展。能否實現(xiàn)電池大規(guī)模生產(chǎn)，以及是否能有效控制電池的成本，是太陽能電池是否能有效成長的一個性命攸關(guān)的問題，非晶硅太陽能電池有效的實現(xiàn)了這一點。因為，制作其方法大多數(shù)采用等離子增強型化學氣象沉積和低溫等離法這類方式制作，因此其與生俱來帶有成本易獲得的優(yōu)勢。但是參考太陽能電池重要依據(jù)就是效率光電轉(zhuǎn)換效率和電池是否保持穩(wěn)定，非晶硅太陽能電池目前在這兩方面依舊欠缺，如果這方面問題能夠得到妥善解決，非晶硅太陽能電池定會脫穎而出?？偟膩砜?，這三種太陽能電池是目前技術(shù)應(yīng)用相對廣泛和熟練的一種，也是在市場和商業(yè)應(yīng)用中擁有較大份額的一類。為太陽能電池邁入商業(yè)化做出了卓越的貢獻，并為太陽能電池性能的提高指明了方向。1.2化合物薄膜太陽能電池第二類太陽能電池為化合物薄膜太陽能電池。在硅基太陽能的不斷發(fā)展中，科學家們發(fā)現(xiàn)，這類太陽能電池成本雖然在不斷的降低，但總體任處于相對較高的位置。于是例如以碲化鎘、銅銦鎵硒化物為主的薄膜太陽能電池誕生了。薄膜太陽能電池有著充滿希望的研究未來，它的本身輕巧，制造成本低，并且憑借可彎曲型成為太陽能電池中的寵兒。在出行的背包，居住的帳篷等商品上面應(yīng)用十分廣泛，是一種不可多得的優(yōu)秀材料。這類太陽能電池在發(fā)展過程中相對有效的控制了成本，特別在材料節(jié)省和環(huán)境低溫方面有著極大的進步，這樣的優(yōu)勢使得這一類太陽能電池有著進軍商業(yè)化的巨大潛力。但是在制備薄膜太陽能電池的時候需要一些不易獲取的稀有元素，例如銦，硒等等。因此在制造的過程中難以精確把握化合物的組成成分，這就導致了這一類太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率無法達到令人滿意的效果。1.3新型太陽能電池有四小類電池被稱為新型太陽能電池，分別為有機聚合物太陽能電池，染料敏化太陽能電池，鈣鈦礦太陽能電池以及量子點敏化太陽能電池。這類電池充分吸收了之前電池各種缺陷，并在其基礎(chǔ)上積極改進，包括吸收了以上幾類電池原料相比而言不易獲取的問題。改進后其原料獲取相對輕松，成本大幅度降低。吸收了非晶硅電池轉(zhuǎn)換效率不穩(wěn)定的情況，改進后光電轉(zhuǎn)換效率較為穩(wěn)固，吸收了化合物薄膜太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率較為欠缺的問題，新型太陽能電池效率比較高。有機聚合物太陽能電池從名稱就不難看出聚合太陽能電池最核心的器件就是有機聚合物，它的兩個電極之間結(jié)合著一層活性層，這層活性層由兩種材料構(gòu)成，分別叫做電子受體和電子給體。聚合物太陽能電池原材料易尋找，因此有大規(guī)模生產(chǎn)的潛力。并且其本身可塑性強，可被做出設(shè)計作為柔性器件并被大范圍使用。雖然聚合物太陽能電池在這些方面取得了很大的領(lǐng)先，但是由于其發(fā)展的時間比較遲，在光電轉(zhuǎn)換效率方面雖然經(jīng)過不懈努力終于從5%的轉(zhuǎn)換效率提升到了10%，但是仍然沒有到達科學家們心目中的高度，因此很難大規(guī)模商業(yè)化發(fā)展。另外，有機聚合物電池的關(guān)鍵器件有機聚合物在電荷復合嚴重和光吸收相對較弱的情況下，也帶來了短路電流較低的問題，其中填充因子也不高。因此，如果能在轉(zhuǎn)換效率方面有明顯的提高，或者在活性層厚度方面更加完善，那么聚合物太陽能電池就可以重新受到青睞。鈣鈦礦太陽能電池在19世紀中葉，來自德國的科學家GustavRose經(jīng)過探索發(fā)現(xiàn)了鈣鈦礦，這次發(fā)現(xiàn)為今后鈣鈦礦電池的產(chǎn)生提供了可能。二十世紀初，T.Miyasaka帶領(lǐng)他的團隊首次嘗試在染料敏化太陽能上加入一種名為CH3NH3PbBr3敏化劑，因此獲得了2.2%的光電轉(zhuǎn)換效率。三年后，他們用CH3NH3Pbl3代替CH3NH3PbBr3敏化劑再次用在染料敏化太陽能電池上面，光電轉(zhuǎn)換效率得到明顯提升，從2.2%提高到3.8%。在此之后，Snaith團隊宣布了n型傳導層二氧化鈦可以用惰性薄層三氧化二鋁代替，這一成功的嘗試也成功令效率提高到10.9%。這也證實了鈣鈦礦雙官能團的影響頗大，這也極大的給予了科研人員的研究信心和肯定。近些年來，鈣鈦礦電池憑借著穩(wěn)定且優(yōu)質(zhì)的轉(zhuǎn)換效率給予了研究人員莫大的驚喜，并且憑借著其低廉的制備成本，在未來有很大機會能在眾多太陽能電池中占據(jù)一席之地。但是在其優(yōu)質(zhì)的性能背后，也有著一些制約其發(fā)展的瑕疵，例如鈣鈦礦電池本身單元不大，因此生產(chǎn)工藝的制備還需完善，使得符合其面積規(guī)格的電池能夠被生產(chǎn)出來。此外，鈣鈦礦太陽能電池本身也易受外界因素影響，電池里的器件容易被水汽和熱量干擾，從而增加鈣鈦礦太陽能電池工作的不穩(wěn)定型。染料敏化太陽能電池量子點敏化太陽能電池和染料敏化太陽能電池同屬于光敏化太陽能電池。二十世紀九十年代初，M.Gr?tzel教授第一次在《Nature》上宣布了自己對染料太陽能電池的研究的結(jié)果，揭開了染料敏化太陽能電池發(fā)展的序幕。僅在兩年后，M.Gr?tzel率領(lǐng)其團隊就在該領(lǐng)域上連續(xù)突破，染料敏化太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率由開始的7%提高到了10%左右，如此可觀的轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)和商業(yè)化生產(chǎn)的硅基太陽能電池旗鼓相當。在上個世紀九十年代末，其團隊又開拓了非液體太陽能電池的發(fā)展，首次制備出固體量子點敏化太陽能電池，并且入射單色光子，光電轉(zhuǎn)換效率達到令人滿意的33%。G24PowerLtd公司于2006年首次對染料敏化太陽能電池是否能形成大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化進行嘗試，證明了染料敏化太陽能電池有被進行大規(guī)模生產(chǎn)的潛力，并且試驗修建了柔性染料敏化太陽能電池的流水線。在2015年，我國科學院長春應(yīng)用化學研究所也對染料敏化太陽能電池的研究實現(xiàn)重大突破，使得轉(zhuǎn)換效率提高到了9.8%。在此之后，經(jīng)過長久的不懈努力，M.Gr?tzel團隊于2014年年制備出來效率高達13%左右的染料敏化太陽能電池。僅僅一年后，其團隊就在固態(tài)染料敏化太陽能電池上實現(xiàn)重大突破，制備出的電池效率提高到了15%左右。染料敏化太陽能電池相較于之間出現(xiàn)的太陽能電池有著一些顯而易見的優(yōu)勢：（1）染料敏化太陽能電池工作壽命長，可以長時間使用；制作過程不繁瑣，結(jié)構(gòu)便于生產(chǎn)，達到了商業(yè)化量產(chǎn)的要求；在生產(chǎn)制備的過程中消耗的能源小，可以有效節(jié)約能源；制備染料敏化太陽能電池的成本低，比硅太陽能電池低80%至90%；但是如此多優(yōu)點后也存在著一些弊端。例如，目前使用釕基配合物作為染料效果最令人滿意，但是制備這類染料步驟繁瑣，并且高昂的成本也使得其無法大規(guī)模量產(chǎn)。其次敏化量難以精準把控，敏化量過大將會延緩電子傳輸，這造成吸附的層數(shù)過多或過少都無法達到最好效果，導致其失敗的可能性較大。最后就是染料在與TiO2接觸一起時，很有可能