效率提高

太阳能电池效率有望提高至60%以上人类应如何逐步摆脱对化石燃料的依赖？这是世界各国政府和科学家一直致力于解决的问题。可再生能源无疑是替代化石燃料的首选，而太阳能作为一种易获得、储量丰富的可再生能源，是研究人员努力发掘的焦点。然而太阳能电池转化效率低下却始终是人类利用太阳能的拦路虎。目前，常规太阳能电池最高转换效率仅为30%左右。但这一现状马上就会有革命性的突破。美国研究人员最近在太阳能电池技术上的新突破可能会让太阳能电池的转换效率连跳两级，从现在的30%直接增加到66%！近日，在《科学》杂志上，来自美国德克萨斯大学奥斯汀分校的化学家朱晓阳(音译)博士，通过对半导体纳米晶粒(又称量子点)的最新研究后表明，常规太阳能电池的转换效率可由现在的30%的极限效率提高到超过60%。束缚太阳能电池发展原因太阳能电池的转换效率之所以会有如此飞越，是因为科学家发现了一种可以有效捕获在常规太阳能电池中以热能形式损耗掉的高能量太阳光的方法。目前使用中的大多硅太阳能电池最大转换效率仅为约31%，那是因为太阳光照射在太阳能电池上时，太阳光线中有很多能量太大以致于不能转换为可使用的电能，这些能量即以所谓的“热电子”的形式、以热能的方式损耗。如果这些高能太阳光线，即热电子能够被捕获，那么太阳光向电能的转换效率从理论上来说就可以提高到66%。德克萨斯大学材料化学中心的负责人、化学教授朱博士说，他们将转换效率如此惊人的太阳能电池称为“终极的太阳能电池”。而要制造出这样的电池，需要几个步骤。首先，热电子的冷却速度需要放缓；其次，在这些热电子失去它们所有能量之前，要能够将其俘获并尽快地使用。量子点解决难题朱博士介绍说，半导体纳米晶粒或量子点恰好可以满足上述利用“热电子”的要求，因为首先量子点可以让热电子释放热量的速度变慢，这一点在许多研究机构中已经得到证明。在2008年度《科学》杂志的一篇论文中，来自芝加哥大学的一个研究小组的研究成果表明，在胶状半导体纳米晶粒中可以确信能够达到热电子冷却速度减缓这一目的。而现在朱博士的研究小组已经解决了这个问题的关键第二步，即如何获得并利用这些热电子。德州大学的研究发现，热电子可以由光激励硒化铅纳米晶粒中转移到二氧化钛组成的电子导体上，而二氧化钛电子导体目前已经被广泛应用，十分容易获取。“如果我们能够取出这些热电子，那么我们可以让其为我所用。这种热电子转移方式的证明，表明了高效热载流子太阳能电池不再仅仅是一个理论上的概念，而同时也具有实验上的可能性。”朱博士介绍。尽管此次研究人员使用的是硒化铅量子点，但朱博士表示，他们的方法对其他的量子点材料也同样适用。朱博士同时提醒人们，这仅仅是科学的一小步，人们还需要更多科学以及工程上的研究才能制造出一个转换效率高达66%的太阳能电池。另外值得一提的是，目前朱博士等人正致力于解决这一科学难题的第三个方面：将热电子连接到电导线。朱博士说：“即使我们能从太阳能电池中取出这些热的、快速运动的电子，但是它们在连接导线上同样会以热能形式损失。因此我们下一步的目标就是调整连接到电导线的界面化学特性，以最大限度地减少这部分的额外能量损失。我们希望最大程度地获得太阳光线中的能量，这就是终极太阳能电池。”整个研究项目由美国能源部提供资金支持。外界反响热烈朱博士这一技术上的成就也让整个能源领域眼前一亮。有专家表示，这一进步是十分振奋人心的。相对于化石燃料发电，目前硅太阳能电池的成本过高，在没有大量的政府补贴情况下，利用太阳能发电的成本偏高。随着太阳能电池效率的提高，以及与化石能源相对持平或更低的电池生产成本，人类即将提前进入太阳能时代。化石燃料让人类付出了严重的环境代价，研究人员表示，随着科技的进步，有理由相信50年之内将百分之百地全部利用太阳能。除了可再生能源行业外，即使与可再生能源相对的化石燃料行业的工作人员也为朱博士的研究鼓掌。一位美国石油行业普通工作人员柯蒂斯表示：“作为一个在石油工业及传统的下游工业时代的受益者，我为朱博士和他的合作伙伴而鼓掌！我们需要进行这种研究，先设置好一个实际的可再生能源目标，然后找出解决挡在前面的难题的办法。”新发现提高有机太阳能电池效率科技日报刘霞美国罗格斯大学研究人员发现，激子在有机半导体晶体红荧烯中的扩散距离是以前认为的1000多倍，该距离与激子在制备无机太阳能电池的硅、砷化镓等材料中的距离相媲美。科学家认为，新的研究发现有望让有机太阳能电池的成本更低、性能更卓越，或许可以取代硅基太阳能电池。相关研究论文发表在《自然·材料学》杂志在线版上。罗格斯大学的助理教授瓦伊塔利·波德兹瑞福表示，科学界一直使用有机半导体来制造太阳能电池和其他产品，因为，有机半导体能够建造在大的塑料薄片上。但是，有机半导体有限的光伏转化效率限制了其在太阳能领域的发展，但新发现可以加速有机太阳能电池的研发速度。波德兹瑞福和同事发现，激子在超纯净的晶体有机半导体红荧烯中的行进距离是以前认为的1000多倍。而此前，研究人员观测到的激子在有机半导体中的行进距离不足200纳米。波德兹瑞福表示，这是科学家首次观察到激子在有机半导体中可行进几微米——其扩散距离从2微米到8微米不等，这个距离与激子在制备无机太阳能电池的材料硅、砷化镓中的扩散距离相媲美。而激子的扩散距离越远，可以吸收的太阳光越多。波德兹瑞福解释道，当激子碰撞到半导体的边界或结点时，电子移动到结点的一边，电子空穴移动到另一边，产生光伏电流。如果激子的扩散距离不到1纳米，仅仅离边界或结点最近的激子才会产生光伏电流，这也是为何目前有机太阳能电池的转化效率偏低的原因。研究人员指出，激子通常可分为万尼尔（Wannier）激子和弗伦克尔（Frenkel）激子。万尼尔激子在晶格中移动得更快，因此，其产生光电的属性更加突出。进一步发现，有机半导体红荧烯晶体内的激子的行为更像无机晶体中的万尼尔激子的行为。而之前，科学家以为，有机半导体中只会出现弗伦克尔激子。因此，该实验证明，激子扩散的障碍不是有机半导体的固有障碍，进一步的研究有望研发出效率更高、可批量生产的有机太阳能电池。研究人员也发明了一种新的技术—偏振分辨感光电流光谱，来分离晶体表面的激子，并且产生大的感光电流，这种技术也可以用于其他物质。提高太阳能电池的主要措施影响太阳能电池效率的因素主要有电学损失和光学损失。光学损失主要是表面反射、遮挡损失和电池材料本身的光普效应特性。电量转换损失包括载流子损失和欧姆损失。太阳光之所以仅有很少的百分比转换为电能，原因归结于不管是哪一种材料的太阳能电池都不能将全部的太阳光转换为电流。晶体硅太阳电池的光谱敏感最大值没有与太阳辐射的强度最大值完全重合。在光能临界值之上一个光量子只产生一个电子——空穴对，余下的能量又被转换为未利用的热量。由于光的反射，阳光中的一部分不能进入电池中。随温度升高，在P-N结附近的厚度减少，从而电池的转换效率就会下降，所以电池的转换效率在冬季要高于炎热的夏天。目前提高太阳能电池效率的措施如下。寻找光电转换新材料研究人员发现,像氮化铟这类半导体的禁带比原先认为的明显要小,低于0.7电子伏特。这一发现表明,以含有铟、镓和氮的合金(In1-xGaxN)为基础的光电池将对所有太阳光谱的辐射——从近红外线一直到紫外线作用灵敏。利用这种合金可以研制比较廉价的太阳能电池板,而且新型太阳能电池板将比现有的更结实、更高效。有关人员指出,用氮化铟和氮化镓双层制成的多级太阳能电池可以达到理论极限最大效率的50%。为此,一层需要“调整”到1.7电子伏特的禁带,而另一层需“调整”到1.1电子伏特的禁带。如果能制成层数很多的太阳能电池,在每层中都具有自己的禁带,则太阳能电池的最大理论效率可达到70%以上。由美国物理学家和工程师共同组成的麻省理工学院研究小组，成功的在构成太阳能电池的超薄硅薄膜的正面增加了一种增透膜，并在背面增加了由多层反射膜和衍射光栅组合成的精细结构。在硅薄膜中传输距离越长意味着光能被吸收的机率越高，被吸收的光能将促使薄膜中的自由电子形成电流。此举能够让照射进薄膜的光更长时间地在薄膜内反射，以便有充足的时间让光能被吸收并转换成电能，导致太阳能电池的电能输出提高了50%。近期，科学家正在研究一种新型金属纳米颗粒材料，与传统的光学材料相比，这种物质能更好的捕获太阳光能量。这种纳米金杯状物主要在两个方向上与光线发生相互作用：上下的轴向方向以及左右的横向方向。横向的作用方式更强烈，因为横向的相互作用存在强烈的散射共振。这种杯状物质犹如一个三维纳米天线。而这种人造“超介质”比天然物质更有优势。此种“超介质”具有很好的结构特性，它们比光波长要小，且能产生独特、有趣的光学效应，即与光发生剧烈的物理效应。因此科学家们对这种物质非常的感兴趣。此种物质的主要组成成分就是一些细小、杯状的纳米材料，纳米杯束可以将来自任意方向的光精确投射到一个特定的位点。根据美国俄勒冈州立大学(OregonStateUniversity)和波特兰州立大学(PortlandStateUniversity)的研究人员们实验证实，一种名为“硅藻”(diatom)的微小海藻有助于使染料敏化太阳能电池(dye-sensitizedsolarcell)的电力输出提高三倍。通过捕捉住外覆硅藻层的薄膜太阳能电池奈米小孔中的光线，这种电池可撷取更多的入射光子，因而大幅提高了发电效率。在系统中，光子在硅藻外壳形成的小孔内弹跳，这可使其能源效率提升较传统系统更高三倍。染料敏化太阳能电池的结构是在玻璃或塑料基底上覆盖一层二氧化钛，敏化染料吸附在二氧化钛层上形成低价的染料薄膜。电池透过吸收薄膜中的光子来发电：当染料分子吸收光子时，受到激发的分子把电子注入到钛中，并由钛使其传输到负极。加工工艺革新一般工业晶体硅太阳能电池的光-电转换效率为14%－16%,而采用新的激光加工技术能提高太阳能电池的光-电转换效率。德国InstitutfürSolarenergieforschungHameln(ISFH)研究所的研究人员已经研制出一种制造太阳能电池的加工工艺,即背交叉单次蒸发(RISE)工艺。辅以激光加工技术,用该工艺制造的背接触式硅太阳能电池的光电转换效率达到22%。激光加工技术是RISE加工程序中最关键的技术。目前,很多厂家都利用激光加工技术生产硅太阳能电池。BPSolar公司(Frederick,MD)采用激光刻槽埋栅极技术,也就是说利用激光技术在表面上刻槽,然后填入金属,以起到前表面电接触栅极的作用。与标准前表面镀敷金属层相比,这种技术的优点是能减少屏蔽损耗。AdventSolar公司则采用另外一种被称之为发射区围壁导通(emitterwrapthrough)技术。用激光在硅晶片上钻通孔,高掺杂壁将发射区表面的电流传导到背表面的金属接触层,因而能进一步降低屏蔽损耗,提高光-电转换效率。据美国“技术评论”网站报道，麻省理工学院（MIT）科学家萨克斯等发明了一项技术，可以制备很细的银丝——其直径只有太阳能电池通常使用的银丝的五分之一，而且提高了导电率。银丝越细，制造成本就越低。同普通银丝相比，细银丝可以更紧密的排列，彼此的间隔更小，这使得银丝采集电流的效率更高。再使用一套宽平的金属条来汇集通过细银丝传来的电流。通常这些金属条会阻碍光线进入太阳能电池，从而使电池效率下降。但萨克斯通过蚀刻金属条表面，使其变得像多面镜一样，从而获得了与在硅板表面增加纹理一样的效果。虽然这道工艺步骤会使生产成本增加，但银的用量减少了，二者可以抵消。最大功率点跟踪最大功率跟踪(maximupowerpointtracking，MPPT）是并网发电中的一项重要的关键技术，它是指控制改变太阳电池阵列的输出电压或电流的方法使阵列始终工作在最大功率点上。根据太阳电池的特性，目前实现的跟踪方法主要有恒压法、功率匹配电路、曲线拟合技术、微扰观察法和增量电导法。这里只介绍恒压法。因为太阳电池在不同光照条件下的最大功率点的电压相差不大，近似为恒定。这种方法的误差很大，但是容易实现，成本较低。控制器确定MPPT的最