《太陽(yáng)能電池的分類及其發(fā)展綜述》2900字

太陽(yáng)能電池的分類及其發(fā)展綜述1.1硅基太陽(yáng)能電池按照太陽(yáng)能電池的發(fā)展順序，第一類太陽(yáng)能電池為硅基太陽(yáng)能電池，其往下又可以準(zhǔn)確細(xì)化為非晶硅太陽(yáng)能電池，單晶硅太陽(yáng)能電池和多晶硅太陽(yáng)能電池這三大類。單晶硅太陽(yáng)能電池本身的光電效率效果最好，它的效率在實(shí)驗(yàn)室中可以高達(dá)30%以上，即使是在大規(guī)模商業(yè)批量生產(chǎn)中，也可以實(shí)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(gè)嚴(yán)重的弊端，就是制作單晶硅太陽(yáng)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(lái)。因此，在其發(fā)展之上，多晶硅太陽(yáng)能電池帶著使命出世了，多晶硅太陽(yáng)能電池有著不錯(cuò)的15%的效率，難能可貴的是它將單晶硅太陽(yáng)能電池成本大的弊端有效的降低了下來(lái)。正因如此，多晶硅太陽(yáng)電池得到了蓬勃的發(fā)展。能否實(shí)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(yáng)能電池是否能有效成長(zhǎng)的一個(gè)性命攸關(guān)的問(wèn)題，非晶硅太陽(yáng)能電池有效的實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)。因?yàn)?，制作其方法大多?shù)采用等離子增強(qiáng)型化學(xué)氣象沉積和低溫等離法這類方式制作，因此其與生俱來(lái)帶有成本易獲得的優(yōu)勢(shì)。但是參考太陽(yáng)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(yáng)能電池目前在這兩方面依舊欠缺，如果這方面問(wèn)題能夠得到妥善解決，非晶硅太陽(yáng)能電池定會(huì)脫穎而出?？偟膩?lái)看，這三種太陽(yáng)能電池是目前技術(shù)應(yīng)用相對(duì)廣泛和熟練的一種，也是在市場(chǎng)和商業(yè)應(yīng)用中擁有較大份額的一類。為太陽(yáng)能電池邁入商業(yè)化做出了卓越的貢獻(xiàn)，并為太陽(yáng)能電池性能的提高指明了方向。1.2化合物薄膜太陽(yáng)能電池第二類太陽(yáng)能電池為化合物薄膜太陽(yáng)能電池。在硅基太陽(yáng)能的不斷發(fā)展中，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，這類太陽(yáng)能電池成本雖然在不斷的降低，但總體任處于相對(duì)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(yáng)能電池誕生了。薄膜太陽(yáng)能電池有著充滿希望的研究未來(lái)，它的本身輕巧，制造成本低，并且憑借可彎曲型成為太陽(yáng)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(yáng)能電池在發(fā)展過(guò)程中相對(duì)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(jìn)步，這樣的優(yōu)勢(shì)使得這一類太陽(yáng)能電池有著進(jìn)軍商業(yè)化的巨大潛力。但是在制備薄膜太陽(yáng)能電池的時(shí)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(guò)程中難以精確把握化合物的組成成分，這就導(dǎo)致了這一類太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率無(wú)法達(dá)到令人滿意的效果。1.3新型太陽(yáng)能電池有四小類電池被稱為新型太陽(yáng)能電池，分別為有機(jī)聚合物太陽(yáng)能電池，染料敏化太陽(yáng)能電池，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池以及量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)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(jìn)，包括吸收了以上幾類電池原料相比而言不易獲取的問(wèn)題。改進(jìn)后其原料獲取相對(duì)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(jìn)后光電轉(zhuǎn)換效率較為穩(wěn)固，吸收了化合物薄膜太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率較為欠缺的問(wèn)題，新型太陽(yáng)能電池效率比較高。有機(jī)聚合物太陽(yáng)能電池從名稱就不難看出聚合太陽(yáng)能電池最核心的器件就是有機(jī)聚合物，它的兩個(gè)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(yáng)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(qiáng)，可被做出設(shè)計(jì)作為柔性器件并被大范圍使用。雖然聚合物太陽(yáng)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(shí)間比較遲，在光電轉(zhuǎn)換效率方面雖然經(jīng)過(guò)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(dá)科學(xué)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(jī)聚合物電池的關(guān)鍵器件有機(jī)聚合物在電荷復(fù)合嚴(yán)重和光吸收相對(duì)較弱的情況下，也帶來(lái)了短路電流較低的問(wèn)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(yáng)能電池就可以重新受到青睞。鈣鈦礦太陽(yáng)能電池在19世紀(jì)中葉，來(lái)自德國(guó)的科學(xué)家GustavRose經(jīng)過(guò)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(jì)初，T.Miyasaka帶領(lǐng)他的團(tuán)隊(duì)首次嘗試在染料敏化太陽(yáng)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(yáng)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(tuán)隊(duì)宣布了n型傳導(dǎo)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(shí)了鈣鈦礦雙官能團(tuán)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(lái)，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(lái)有很大機(jī)會(huì)能在眾多太陽(yáng)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(lái)。此外，鈣鈦礦太陽(yáng)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(yáng)能電池工作的不穩(wěn)定型。染料敏化太陽(yáng)能電池量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池和染料敏化太陽(yáng)能電池同屬于光敏化太陽(yáng)能電池。二十世紀(jì)九十年代初，M.Gr?tzel教授第一次在《Nature》上宣布了自己對(duì)染料太陽(yáng)能電池的研究的結(jié)果，揭開了染料敏化太陽(yáng)能電池發(fā)展的序幕。僅在兩年后，M.Gr?tzel率領(lǐng)其團(tuán)隊(duì)就在該領(lǐng)域上連續(xù)突破，染料敏化太陽(yáng)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(yáng)能電池旗鼓相當(dāng)。在上個(gè)世紀(jì)九十年代末，其團(tuán)隊(duì)又開拓了非液體太陽(yáng)能電池的發(fā)展，首次制備出固體量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池，并且入射單色光子，光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到令人滿意的33%。G24PowerLtd公司于2006年首次對(duì)染料敏化太陽(yáng)能電池是否能形成大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化進(jìn)行嘗試，證明了染料敏化太陽(yáng)能電池有被進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)的潛力，并且試驗(yàn)修建了柔性染料敏化太陽(yáng)能電池的流水線。在2015年，我國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所也對(duì)染料敏化太陽(yáng)能電池的研究實(shí)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(guò)長(zhǎng)久的不懈努力，M.Gr?tzel團(tuán)隊(duì)于2014年年制備出來(lái)效率高達(dá)13%左右的染料敏化太陽(yáng)能電池。僅僅一年后，其團(tuán)隊(duì)就在固態(tài)染料敏化太陽(yáng)能電池上實(shí)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(yáng)能電池相較于之間出現(xiàn)的太陽(yáng)能電池有著一些顯而易見的優(yōu)勢(shì)：（1）染料敏化太陽(yáng)能電池工作壽命長(zhǎng)，可以長(zhǎng)時(shí)間使用；制作過(guò)程不繁瑣，結(jié)構(gòu)便于生產(chǎn)，達(dá)到了商業(yè)化量產(chǎn)的要求；在生產(chǎn)制備的過(guò)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(yáng)能電池的成本低，比硅太陽(yáng)能電池低80%至90%；但是如此多優(yōu)點(diǎn)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(wú)法大規(guī)模量產(chǎn)。其次敏化量難以精準(zhǔn)把控，敏化量過(guò)大將會(huì)延緩電子傳輸，這造成吸附的層數(shù)過(guò)多或過(guò)少都無(wú)法達(dá)到最好效果，導(dǎo)致其失敗的可能性較大。最后就是染料在與TiO2接觸一起時(shí)，很有可能