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影响太阳能电池光电转换效率的因素

钜大LARGE  |  点击量:1967次  |  2018年11月26日  

摘要
太阳能电池因具有替代现有化石能源而解决能源环境问题的前景越来越得到全世界的一致认可和推动。然而,目前太阳能电池的光电转换效率依然不高。

太阳能电池因具有替代现有化石能源而解决能源环境问题的前景越来越得到全世界的一致认可和推动。然而,目前太阳能电池的光电转换效率依然不高。影响光电转换效率的因素主要有三个:

一是光的吸收;

二是光生电子空穴对的分离与传输;

三是电荷的收集。光伏材料是太阳能电池的关键部分,因此,提升太阳能电池的光电转换效率的主要途径是提高光伏材料对光的吸收和抑制光生载流子的复合,而实现这两者的研究主要集中在能带调控上。如何制备能带位置匹配的新型光伏材料依然是目前研究的难点和热点。

最近,中国科学院上海硅酸盐研究所研究员黄富强带领的光电转换材料与器件研究课题组与北京大学化学系合作对黄铜矿结构电池材料CuInS2和CuGaS2合理地进行Sn在In/Ga位的掺杂,成功地在禁带中间引入半充满的中间能带(Sn掺杂CuGaS2带隙减小至1.8eV,而吸收范围延伸至1.0eV即近红外区域,Sn掺杂CuInS2薄膜则将带隙减小至1.0eV左右),作为小能量光子跃迁的跳板,克服了材料光学带隙对太阳光谱响应范围的限制,实现VBMCBM,VBMIB,IBCBM三个光子激发电子跃迁的通道,从而实现了覆盖大部分太阳能光谱的响应,大大提高了光电流,从而有望大幅提高电池转换效率。

上海硅酸盐所等在新型光伏材料研究方面取得进展

该合作团队基于调控中心离子配位场来实现材料禁带宽度的降低,探索制备了一种新型窄带隙铁电光伏材料:KBiFe2O5。相对于八面体场,四面体场具有较小的分裂能,从而能够有效地降低材料的禁带宽度,样品结构是由四面体配位的FeO4四面体层通过Bi2O2链连接而成的三维骨架结构,禁带宽度为1.59eV,为目前已知高温多铁材料中禁带宽度最窄的,由于本征极化场的存在,有效降低光生载流子的复合率,样品表现出明显的光伏响应,产生突破材料带隙限制的光生电压,电压高达8.8V,光生电流为15mA/cm2,高于已知最佳铁电光伏材料性能。

这一研究结果的意义在于:一方面成功制备了一类新型中间带太阳能电池材料,并实现了宽光谱响应及光电流的大幅提升;另一方面实现了铁电光伏材料中结构调控带隙宽度的设想,为开发新一代具有可控微结构及高光电转换效率的新型太阳能电池提供了新思路。

瑞典开发高效不锈钢基板CIGS薄膜电池制造技术

瑞典斯德哥尔摩,2014年1月27日。Midsummer是一家制造低成本和可挠性CIGS薄膜电池设备的领先供应商。Midsummer的研发团队开发了高速制造CIGS太阳能电池片在真空状态溅射沉积所有材料,这将提供许多发展中国家生产低成本高效率电池片的机会。

透过高速溅射技术,太阳能电池的制造周期可大大缩短。Midsummer应用不锈钢为基板材料且电池片无含毒镉成分,其生产高效率薄膜铜铟镓硒电池片之制程能力极具竞争力。制造过程是在全真空状态溅射沉积所有材料,因此对制造环境以及洁净室等要求并不严格。

瑞典商Midsummer的执行长—SvenLindstrom指出:“大多数的光伏专家认为可挠性薄膜太阳能电池是太阳能能源的未来。我们独特的生产线系统使可少量生产CIGS电池并达到低成本、高速及高效率产品。”

薄膜铜铟镓硒太阳能电池模组比传统玻璃做的硅片电池模组更加轻薄,且完全无含毒镉的成分,由于模组可无框制造并且任意弯曲,因此非常适合应用在城市里的建筑物和其他交通工具上。Midsummer研发团队的努力证明了再生能源技术的潜能,成功研发15.0%孔径面积转换效率的无镉CIGS电池片,并采用0,3毫米厚度,尺寸225平方毫米之不锈钢基板。透过冲压含铁的不锈钢作为基材,使用溅射技术沉积缓冲层,一般来说是化学气相沉积技术或通过原子层沉积,而铜铟镓硒层是利用合金靶材以短周期溅射沉积,其制程改善一般硒化太阳能电池所需要的长时间。

使用Midsummer先进太阳能电池片生产线,电池片可在不锈钢基板上制成,以便制造可挠性太阳能模组,缓冲层并无含毒镉之成分。镉具有很强的毒性,可致癌以及导致其它疾病。为了生产线人员安全健康着想,应避免在生产太阳能电池片过程中使用镉成分。

Midsummer的先进生产工艺技术带给发展中国家制造低成本太阳能电池的绝佳机会,其原因在于:可从最小规模(5兆瓦)开始投入资本,且由于制造过程在全真空环境下,故对洁净室的要求并不严格,高度自动化的生产线降低对作业人员的依赖。使用Midsummer生产线所制造的模组,既耐用又具可挠性,非常适合应用在不稳供电国家以及离网电的领域。

Midsummer的turn-key生产线–DUO,提供市面上最小单机生产规模,单机年产能为5兆瓦,若客户需要扩充产能,只须加购DUO机台。Midsummer的光伏核心技术是在真空中溅射沉积所有薄膜层。Midsummer的DUO设备为最具成本效益的铜铟镓硒电池片生产线。

Midsummer的铜铟镓硒电池具有与晶硅太阳能电池的外观一致,区别于采用不锈钢作为底材,故其电池片不但能用于生产传统玻璃模组,且可以制成为质量轻薄,弹性耐用的可挠性太阳能模组,其适用于土工模建筑物,垃圾填埋场或其他玻璃太阳能模组无法应用之处。

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