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新能源-薄膜太陽能電池的應用、類型及發展方向

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新能源-薄膜太陽能電池的應用、類型及發展方向

發布日期:2019-07-10 00:00 來源:http://www.jlqz.net 點擊:

 太陽能是自然界中重要的能量來源太陽能電池板通過直接過程采集光能轉換為電能,與傳統的發電方式相比,光伏發電不需要經過熱能和動能的轉換,不依賴燃料供給,無需冷卻、無汙染和噪聲,維護保養容易。

  1 太陽能電池的應用領域

  太陽能電池最初的應用是從人造衛星的搭載開始,近年來隨著技術的不斷積累進步,光伏材料的性能不斷提高,一些新型太陽能電池也已接近實用化。密切關注跟蹤新技術的發展方向,加快在軍事與民用領域的應用具有重要意義。

  1.1 空間飛行器

  人造衛星、宇宙飛船等在軌空間飛行器上提供能源的太陽能電池,由於使用環境特殊,要求光伏材料具有高效率、耐高低溫衝擊、抗高能粒子輻射等性能。空間太陽能電池在空間領域目前使用較多的是化合物型太陽能電池,GaAs光伏電池雖然抗輻照能力強,但由於單晶材料成本高、機械強度較差,不符合空間電源高可靠性等要求,後來逐步采用Ge單晶替代GaAs製備單結電池。單結的化合物型電池隻能吸收特定光譜的太陽光,轉換效率不夠高。目前常用不同禁帶寬度的III-V族材料製備的多結疊層電池,按禁帶寬度大小疊合,分別選擇性吸收和轉換太陽光譜的不同區域,可大幅度提高光電轉換效率。空間太陽能電池產品製造過程複雜,價格較高,因此暫不適合地麵應用。

  1.2 近地飛行器

  固定翼飛機、飛艇、氣球等近地飛行器要保證長時滯空,必須采用能夠長期工作的電能采集設備。美日等國的臨近空間長航時飛行器均采用在表麵鋪設輕質高效光伏陣列,並與儲能裝置相結合,作為飛行器能源動力來源。飛艇和氣球的蒙皮在升空過程中氣壓作用下膨脹,會對不可延展的矽基電池和延展性較差的各種薄膜電池造成破壞,要求粘接結合在表麵的光伏材料具有可卷曲性、適度的伸縮性,大麵積柔性薄膜太陽能電池是艇用光伏材料的最佳選擇。

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  1.3 野戰光伏電站

  便攜式的光伏組件展開撤收快速、隱蔽性強,可實現模塊化組裝,可維護性高。小規模太陽能電池卷組可配置到戰術單位,作為獨立蓄電單位,分布式生產電能。大規模光伏陣列電池輸出功率高,可以與野戰微電網聯接作為大中型電站使用。美軍近年來加快了電站建設速度,陸軍在位於新墨西哥州白沙導彈試驗場建設了4.5MW光伏電站,又先後在亞利桑那州謝拉維斯塔、瓦丘卡堡軍事基地建造了18MW太陽能項目,本寧堡基地的30MW超大規模光伏電站,在81萬平方米用地上使用了134000張太陽能電池板。美國海軍在珍珠港—希卡姆聯合基地、夏威夷海軍陸戰隊基地建設的光伏陣發電係統總裝機容量為17MW,美國空軍在內華達州內利斯空軍基地建設的19 MW的光伏電站。

  1.4光伏建築一體化

  剛性太陽能光伏發電已廣泛應用於在建築屋頂和外牆,柔性薄膜電池組件可以充分利用掩體、建築、帳篷等外表麵,根據需要做成透光和部分透光的,又能更好阻擋外部紅外線的進入發揮隔熱功能,形狀適應性強、重量輕、安裝布設簡便。美軍采用柔性太陽能發電篷布,代號是PowerShade、TEMPERFly以及QUADrant,包括三種尺寸,功率分別為3KW、800W、200W,采用以聚酰亞胺為基底層的無定形矽,將光伏發電薄膜集成到帳篷上,輕便並且粘連強度好,即使強風情況下篷布完全被揭起,光伏薄膜也不會與基底脫開,數據顯示篷布可以減少80%~90%太陽熱輻射。

  1.5 電子設備自供能

  單兵配備的電子裝備數量越來越多,如夜視與瞄準具、定位設備、通信設備、測距儀和數字終端設備等,這些設備要保持不中斷運行狀態需要持續補充電能,連接外部電源充電或更換電池較為繁瑣。將柔性太陽能薄膜和電子設備外表麵結合在一起,實現光伏自供能,可為各種小功率電子設備提供電力。

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  1.6 可穿戴電源

  柔性光伏材料可以與紡織物或塗層複合,變為各種可穿戴太陽能電源,比如太陽能電池背包、帽子、頭盔與服裝等,裝備和車輛的表麵也可以在戰場用於行進中發電。有機化合物等光伏材料在物理性質上能夠模擬自然環境,所以具有一定的隱身能力。

  2 .0太陽能電池的主要類型

  從光伏材料的類型分類,主要包括矽基太陽能電池、無機化合物太陽能電池、有機太陽能電池、敏化太陽能電池、鈣鈦礦太陽能電池。相比於傳統的太陽能電池,薄膜太陽能電池所需的沉積溫度更低、材料用量更少,而且隨著新型光伏材料的快速發展,可實現卷對卷的連續方式生產、大規模的絲網印刷以及噴墨印刷等製備工藝,因此薄膜太陽能電池的應用更加靈活。

  2.1 矽基太陽能電池

  主要有非晶矽( a-Si )、微晶矽( μc-Si:H )和多晶矽( p-Si )薄膜等幾類。由於矽是一種間接帶隙材料,在帶隙對應的波長附近對光子僅有非常低的吸收係數,尤其是在800~1100nm的波長範圍,對光子的吸收長度達到10μm~3mm,遠超出了薄膜太陽能電池中核心吸收層(矽薄膜)的厚度,在此光譜範圍對近紅外波段的光吸收係數不高,限製了其光電轉換效率,而且非晶矽光電轉換效率會隨著光照時間的延長而衰減,即所謂的光致衰退(S-W)效應,光致穩定性不好。可以通過采用有不同帶隙的多結迭層,降低表麵光反射,使用更薄的吸收層等方法進行改進。微晶矽薄膜材料具有過渡層結構,轉換效率高,光致衰退效應相對較弱,製備技術能與現有非晶矽薄膜電池兼容。但微晶矽薄膜太陽能電池帶隙較窄、吸收係數低,在材料製備中生長速率較低沉、積速率較慢的問題,不利於降低製造成本。多晶矽薄膜材料在長波段具有高的光敏性,可見光吸收係數較高,光照穩定性較高。材料製備工藝相對簡單,無光致衰退效應,但成本依然較高。

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  2.2 無機化合物太陽能電池

  主要包括砷化镓( GaAs )III-V 族化合物、硫化鎘(CdS)、碲化鎘(CdTe)及銅銦硒類薄膜電池等。III-V族化合物半導體光伏材料如砷化镓(GaAs)、磷化銦(InP)等,其禁帶寬度在1.0~1.5eV,與太陽光譜匹配較好,具有直接帶隙且太陽光吸收波段寬,在可見光範圍內,GaAs等材料的光吸收係數遠高於矽基材料,化合物半導體轉化效率是非晶矽的兩倍以上,不過成本則是非晶矽的十倍。GaAs光伏材料組成元素的原子量較大,造成材料本身相對質量大,由於Ga比較稀缺,As有毒,所以其發展受到了限製,還不適合大規模生產。

   CIGS 是由銅、銦、镓以及硒所組成的多元化合物半導體光伏材料。該材料是由硒化銅銦(CIS)以及硒化銅镓所組成的固溶體。CIGS屬於四麵體結構半導體,黃銅礦晶體結構,其能隙依據銦、镓比例的不同可從1.0eV(硒化銅銦)變化至1.7eV(純硒化銅镓)。CIGS屬於多晶薄膜的形式,其晶體結構不同於矽晶體,是異質界麵係統,具有近似最佳的光學能隙,光吸收率高,其能隙還可以通過Ga和Al部分取代In,或S部分取代Se進行調節,厚度為2~3μm,具有長期穩定性好、無光誘導衰變、抗輻射能力強、成本低等特點。單結理論效率最高30%,目前所能達到不到20%。電池的基本結構為基底上濺鍍一層約0.5~1.0μm的Mo背電極以利於空穴傳導,CIGS光吸收層約為1.5~2.0μm,往上是約0.05μm 厚的N型半導體CdS,兼具緩衝層的功能,幫助電子有效傳導,再往上有一層約0.1μm 厚的N型 i-ZnO 層,防止電池元件效能下降,再濺鍍A-ZnO作為透明導電層窗口。目前常用的真空蒸發法和濺射法製備易造成原材料的浪費,In為稀有元素,製備過程中材料性質易變。

  為了進一步提高其光電轉換效率,構築多結太陽能電池結構是一種最直接的方法。由於任何單一半導體材料隻能將太陽光譜中一定範圍的光能有效地轉換成電能,從根本上製約了效率的提高。因此將具有不同禁帶寬度的半導體材料組合起來,分別吸收利用不同波長範圍的入射光,頂層電池的能帶最高。往下依次減少,這樣能量高的光子被上麵能帶高的電池吸收,而能量低的光子則能透過上麵的電池而被下麵能帶低的電池吸收,從而有效地提高了太陽能電池的效率,由此產生了雙結、三結等多結疊層太陽能電池。

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  2.3 有機太陽能電池

  有機太陽能電池是以有機半導體作為實現光電轉換的活性材料,與無機太陽能電池相比,它具有成本低、厚度薄、質量輕、製造工藝簡單、可做成大麵積柔性器件等優點,其主要缺點是能量轉換效率較低,穩定性差和強度低。有機太陽能電池主要有單層結構的肖特基電池、雙層p-n異質結電池以及P型和N型半導體網絡互穿結構的體相異質結電池。但是現階段仍存在激子結合能大、電子遷移率低,從而導致轉化效率低且壽命短等缺點,研究方向是提高材料的電導率、成膜技術、器件工藝製作水平和開發新的材料等。

  2.4 敏化太陽能電池

  以有機敏化分子作為吸光的主要材料,包括染料敏化和量子點敏化,目前染料敏化太陽能電池光電效率穩定在13%以上,製作成本僅為矽太陽能電池的1/5~1/10,材料來源廣泛,成本低廉,對設備要求低,生產工藝簡單,適合大規模的生產應用。量子點材料的量子限製效應可以調節能級結構,使其吸收光譜能夠匹配太陽光光譜;量子點吸收一個光子能夠產生多個光子;量子點電子態與光陽極導帶間的部分重合提供了電子的快速傳遞,阻礙了電子—空穴對的複合。它與染料敏化太陽能電池不同點在於采用不同的量子點來替代有機染料作為光吸收體,並且通過調整不同的量子點組成、尺寸及結構來實現太陽光全光譜吸收進而產生更多的光生電子。

  2.5 鈣鈦礦太陽能電池

  鈣鈦礦太陽能電池是使用具有AMX3鈣鈦礦型晶體結構類型材料作為光吸收層的一類電池,經過幾年的發展,能量轉化效率飛速增長到了22.1%,逼近了單晶矽太陽能電池25%的最高轉化效率。由於具有更低的材料成本和製備成本,被視為可能替代矽的新一代太陽能電池。可分為n-i-p和p-i-n兩種器件結構,其中n-i-p結構是指電子傳輸層/鈣鈦礦層/空穴傳輸層的器件結構,而正好p-i-n結構正好相反。柔性鈣鈦礦電池本身膜厚極小,在一定程度上具有較好的彎曲能力,還具備開路電壓高、適用溫度範圍寬、弱光性好、溫度穩定性高等優點,並對太陽光照角度不敏感,同時材料的製備溫度較低(<150℃),適合直接在柔性基底上進行製備。

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  3 薄膜太陽能電池應用發展方向

  軍用電源對質量體積、功率、可靠性等要求較高,太陽能電池材料的實際性能指標亟需進一步提高,要繼續在提升能源轉化效率,增強便攜性、環境適應性和器件穩定性等方麵開展研究,提高低溫製備技術的成熟度,加快推動卷對卷印刷等連續大規模生產工藝的進步。

  3.1 提高轉化效率

  能量轉換效率越高,可提供的輸出功率越大,能源轉換設備就越節能。從光電轉化過程中可知,薄膜太陽能電池的能量轉換效率,與材料的帶隙大小、光吸收係數及載流子傳輸特性相關。為提高光電轉換效率,首先必須不斷研究開發新的高效光伏材料,開發新的太陽能電池製備技術,改進材料本身結構性能來提高太陽能電池材料的光電轉換效率。同時還要優化器件結構,在電池表麵層采用減少反射、增加透射的措施,改進透明電極的透過率,減小光在電池表麵的反射損耗。在電池光吸收層進行光譜波段轉換,或采用疊層電池以及多個PN結疊層電池結構等,盡可能利用太陽能全光譜。改善材料的成膜性和載流子的遷移距離。載流子遷移率高、壽命長,光生電子和空穴能夠移動足夠長的距離而被外電路收集形成電流,電池中的能量損耗就小。

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  3.2 增強便攜性

  提高功率重量比,可以有效減輕設備重量。功率重量比越高,單位質量或體積的發電設備能提供的功率越大。CIGS類薄膜電池的轉化效率和麵積比功率稍高,但非晶矽類薄膜電池的質量比功率稍高。為滿足未來裝備發展的需要,能源裝備正逐步達到更高能量密度、功率密度的目標,因此應積極采取各種辦法,研究“更小、更輕、更持久”的大麵積電池便攜式太陽能電池,以減輕單兵負重和裝備重量。太陽能電池的每個結是由多層結構層疊而成,由於不同材料對光的吸收率存在差異,同樣吸收95%的太陽光,GaAs、鈣鈦礦電池僅需幾微米的厚度,多元化合物需要數十微米,而矽基電池則需要大於150μm。因此選擇吸收率高的材料製成的薄膜太陽能電池,質量可大幅減小。光電轉換效率的提升可以減小太陽能電池的體積和重量,在滿足輸出功率同時也增強了便攜性。

  3.3改善環境適應性

  實際環境需要在多雲、陰雨或霧霾等戶外氣候條件仍能保持一定強度的發電能力。通常情況特定類型的光伏材料僅對某些波長範圍的光體現出良好的吸收,而改善電池弱光響應,就必須提升材料質量,要求器件在整個可見光範圍內保持較高的吸收。戰場使用的能源設備還應具備良好的環境適應性,能夠在較大的晝夜溫差、交變應力、振動和噪聲衝擊性等惡劣條件下正常工作。柔性太陽能電池使用的最大問題是光伏材料的彎折穩定性,傳統多結電池每個結至少有三層不同材料,層數越多,彎折穩定性的解決難度越大。多次彎折後器件效率下降的重要原因是襯底本身的破裂、光伏材料與襯底的結合,因此優化提高各膜層的質量,保持各膜層界麵間的良好接觸等是方麵主要努力方向。

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