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维尔仕带您认识柔性太阳能电池

发布时间:2015年8月19日

随着光伏技术的发展,光伏发电的应用越来越广泛,种类也越来越多,从传统的光伏电站(离网或并网),到光伏建筑一体化(Building Integrated Photovoltaic BIPV),到PV-LED等。这些应用中,绝大多数采用的是刚性太阳能电池,如晶体硅电池。而在一些刚性电池无法胜任的场合中,柔性太阳能电池正以其独特、柔韧的特点赢得了一席之地,在各种户外便携的应用里,特别是科考、军工等领域发挥着不可替代的作用。

柔性太阳能电池,是薄膜太阳能电池的一种,而且技术先进、性能优良、成本低廉、用途广泛。可以应用于太阳能背包、太阳能敞篷、太阳能手电筒、太阳能汽车、太阳能帆船甚至太阳能飞机上。柔性太阳能的一个重要应用领域是光伏建筑一体化,它可以集成在窗户或屋顶、外墙 或内墙上。

柔性薄膜太阳能电池除具备传统太阳能的光电转换功能外,其形体柔软轻便,封装后(太阳能电池芯片需经过封装后方可正常使用)厚度仅为1.5mm,输出功率为50W的电池板重量仅为2.5KG,是传统太阳能的1/6。由于其表面舍弃了易碎、脆弱的玻璃或树脂材料,而采用高分子聚合物胶膜封装,使产品更为柔韧耐用,并且可任意弯曲折叠(传统太阳能电池均以玻璃封装,脆弱易损)。它甚至可根据不同的装备要求制作成任意造型,折叠后仅为书本大小,便于携带。野外作业时,只需将太阳能电池板任意铺展或悬挂,便可对负载进行供电,并可于行走时背负使用。

柔性太阳能电池可分为柔性非晶硅(amorphous silicon, a –Si)太阳能电池、铜铟镓硒(copper indium gallium diselenide,Cu(In,Ga)Se2CIGS)薄膜电池、有机太阳电池(organic photovoltaicOPV)、染料敏化太阳能电池(dye-sensitized solar cell, DSC)。

1、非晶硅

非晶硅(amorphous silicon, a -Si)柔性电池的厚度是晶体硅电池的1/300,可以进一步地降低原材料成本。非晶硅柔性电池的一个突破时1997年提出的三结叠层电池结构,提高了转换效率和稳定性,稳定后的转换效率达到8 .0%-8.5%

以美国 United Solar Ovonic 公司的非晶硅柔性电池为例,非晶硅三结叠层电池结构包含了三层不同带隙的 p -n 结吸收层。顶电池用1 .8eV带隙的非晶硅a -Si,吸收蓝光。中间电池用1 .6eV带隙的硅锗合金a -SiGe,吸收绿光,Ge 的含量为10%-15%。底电池用1 .4eV 带隙的硅锗合金a -SiGe, 40%-50%吸收红光和红外光,Ge的含量较高。太阳光依次通过三层半导体吸收层后,还有一部分没有 被吸收的光线,经过 Al/ZnO的背反射层反射后,回到三层半导体吸收层,再进行一次吸收过程,背反射层起到陷光作用。这样非晶硅柔性电池可以更有效地吸收入射光,提高了转换效率和输出功率,在低入射光和散射光的条件下,性能更好。

2、铜铟镓硒

20世纪70 年代中期,人们开始研究铜铟镓硒(copper indium gallium diselenide,Cu(In,Ga)Se2,CIGS)薄膜电池。CIGS 薄膜属于黄铜矿结构(chalcopyrite)晶体,其带 隙可以调节。由于太阳能电池对带隙的要求是1~1.7eV,通过改变 III 族阳离子 InGaAl VI 族阴 离子 SeS 的含量,可以按照需要调节CIGS 的带隙。和非晶硅相比,CIGS 晶体内部缺陷少,性能更稳定,组件寿命达25 年。在组件使用过程中,铜离子的移动可以修复缺陷,因此组件性能会不断地 提高,这和非晶硅的光致衰退效应或S -W 效应(Staebler-Wronskieflect)恰恰相反。

3、有机

在有机太阳电池(organic photovoltaic, OPV)中,有机半导体吸收介质通常由施主材料和受主材料混合而成。施主材料善于给出电子、吸收空穴,混合后具有正电性,共轭聚合物(conjugated polymer)是典型的施主材料。受主材料善于吸收电子、给出空穴,混合后具有负电性,富勒烯(fullereneC 60)是典型的受主材料。

激子(excition)是被束缚的电子-空穴对,是受激后的准离子(quasiparticle)。受激后,电子和空穴分离,但是电子-空穴对仍然通过静电的库伦力互相吸引,由于库伦束缚而不能彻底分离,形成激子。激子有两种,瓦尔尼-模特激子(Wannier-Mottexcition)和弗伦克尔激子(Frenkel exciton)。瓦尔尼-模特激子存在于在晶体硅半导体中,被激发到导带中的电子和价带中的空穴形成束缚态,库伦力较弱,在0.01eV左右。弗伦克尔激子存在于有机介质的施主材料中,之间的库伦力较强,在0.3eV左右。

4、染料敏化

早在20世纪70年代,人们就希望通过模拟光合作用,开发出新型太阳能电池。那时,人们在半导体晶体材料二氧化钛(titanium dioxide TiO2 )表面,包裹一层叶绿素(chlorophyll)染料。虽然提出了染料敏化太阳能电池(dye-sensitized solar cell, DSC)的概念,但是由于电子在叶绿素中输运困难,转换效率只有0 .01%

直到1991年,瑞士化学家 Michael Gratzel 运用纳米技术,才推动了染料敏化电池的实质性发展。Gratzel 把大颗粒的TiO2 晶体,替换成直径20nm的小颗粒海绵状TiO2,外层包裹染料薄层,形成10um厚的光学透明薄膜。第一次制成的染料敏化电池,其转换效率就已经达到了7.1%,电流密度达到12mA/cm。而现在,染料敏化电池转换效率的世界纪录是11%

在燃料敏化电池的结构中,光敏剂( photosensitizer)通过羧基( crboxyl,-COOH)、磷酸基( phosphonic acid,-PO3H2)或硼酸基(boronic acid B(OH)2)功能团,覆盖在TiO2 颗粒表面,形成电荷转移络合物(charge transfer complex),再浸泡在氧化还原介体(redox mediator)溶液中,TCO玻璃和金属衬底分别作为阴极和阳极。光敏剂吸收入射光,基态中的So 中的电子被激发到高能态S*,在 fs ps 时间内,光敏剂中的电子进入 TiO2 的导带,光敏剂失去电子,被氧化,成为S+。氧化还原介体从金属阳极得到电子,再对光敏剂提供电子,使之还原,回到So.TiO2 导带上的自由电子,通过TCO 阴极和电路,来到金属阳极,2个电极之间形成电流,驱动电路中的负载。






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