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贝克勒尔在液体电解质中首次发现了太阳能转化为电能的光伏效应。
所有光伏材料都有不连续或显著的变化亚博网站下载,从而在其内部产生电势,导致入射光产生载流子。这就是太阳能电池发电的原理。
硅是这些电池中最常用的材料,有两种不同的形式——纯硅和非晶硅。
纯硅用于单晶硅和多晶硅,其中单晶硅是首选,因为它的太阳能捕获效率约为25-30%,
光伏电池发展的广泛问题
材料供应和费用
具有成本效益的制造、太阳能捕获的效率、性能的可靠性和至少20年的稳定性是PV电池在商业上可行的主要特征。这就保证了电池在生产过程中所消耗的能量要少于电池在其工作寿命中所产生的能量。
用于在光亚博网站下载伏电池中制造半导体的材料必须具有低能带隙,以有效地捕获能量,并能够调节能量转换过程。只有少量材料,如Si、GaAs、InP、CdTe和CuInSe,才能满足这些标准亚博网站下载2在单晶电池中,氢化非晶硅(a-Si: H)、CdTe和CuInSe2薄膜。
可用性和加工成本低是材料选择的重要因素。产量的增加引起了人们对材料可用性的担忧。
印刷技术可以在保持高质量的同时降低成本。
硅电池
这些都是第一代设备。
单晶砷化镓可以与背接触单晶硅相结合,效率更高,约为31%。单晶硅光伏电池的使用受到昂贵和能源密集型的Czochralski方法处理硅的高成本的限制。
多晶硅电池制造起来要容易得多,成本也低得多,但复合损耗使其效率降至17%左右。
硅太阳能电池也面临着吸收问题,因为长波长的光子很难被吸收。
修改后的技术
虽然很难改变硅的材料特性,如吸收和晶界,其他建议的提高硅电池效率的方法包括:
- 单晶硅切拉斯基法的改进
- 采用晶圆技术,减少硅片用量
- 使用定向凝固的方法来生长多晶硅,这种方法的能耗要低得多,大约需要12千瓦时/千克的电力,而传统方法需要100千瓦时/千克的电力
- 采用厚膜技术
- 丝网印刷方便自动化生产铝和银电触点
- 在PV电池的底部引入更多的孔,使产生的孔向上层单向移动,避免重组损失——这是一种昂贵的方法
- 使用较新的抗反射涂层和玻璃材料,以降低反射率亚博网站下载
薄膜
薄膜硅器件是第二代光伏电池。它们在机械上得到了改进,具有更大的灵活性,但效率较低。
氢化非晶硅在薄膜光伏电池中的应用降低了生产成本。另一方面,漂移采集降低了电压依赖的电流采集,从而降低了效率。它作为少数载流子也有较低的寿命,长期照明、掺杂问题和合金质量低的击穿。因此,薄膜硅电池大多由单晶硅构成,以最大限度地提高其效率。
其他可以用作亚博网站下载薄膜的材料,如碲化镉、铜铟二硒化(CIS)和铜铟硒化镓(CIGS),正在探索中。
CdTe的光吸收率高,容易通过多种方法制备,但掺杂困难,稳定性低,而且还具有废镉的毒性。
以多晶薄膜形式存在的CIS和CIGS的捕获效率约为19%。然而,这些目前太不稳定,不能使用。铟也是一种昂贵且有限的金属。
其他材料亚博网站下载
人们正在探索第三代光伏材料,以提高太阳能亚博网站下载电池的性能。许多报告显示了实现低运营和材料成本的吸引人的概念。像多激子产生(MEG)、载流子倍增(CM)、热载流子提取和中间带太阳能电池等概念必须首先复制到PV器件本身,这涉及到结势垒。目前,III-V多结电池是第三代设备中唯一实际超过硅电池最大效率的。
多结电池
多结电池利用了这样一个事实,即当光波波长与带隙相同时,太阳能到电能的有效捕获不会发生热化和吸收问题。不同的材料,通常是I亚博网站下载II-V材料,随着人们从顶部移动到底部,带隙从高到低变化。
III-V材亚博网站下载料在许多情况下显示直接带隙。它们的制造效率很高,当用于更薄的电池时,使用的材料也更少。低电流匹配和高材料成本可能限制它们的使用,如锗/GaAs/InGaP电池。
其他的方法,如倒置堆栈,晶片键合,稀氮化和变质生长,正在探索以获得最佳的多结电池结构。
超薄细胞
超薄电池通过外延生长降低了生产成本和时间。这也迎合了当前概念所需要的复杂排列,一旦结晶度超过100纳米,就很难培养细胞。超薄电池只使用足够的能量吸收大多数入射光子并产生激子。
就III-V型半导体而言,所需的厚度仅为几微米。由于在这个有限的厚度下有较高的吸收率,因此效率较高。
在中间波段太阳能电池(IBSCs)中,双光子吸收和其他类似的非线性过程也得到了增强,而复合损耗受到了限制。
热载太阳电池(HCSCs)必须是薄的,以减少提取时间和保持低热化。然而,许多实际问题仍然存在,甚至在实验阶段。
串联细胞
串联电池结构由两个不同的光伏器件组成,它们具有不同的带隙,可以吸收另一个器件不能吸收的光。这是为了最大化效率而设计的。
细胞钙钛矿
钙钛矿是任何具有与钙钛氧化物(XIIA)相同晶体结构的材料2+ VIB4+ X2−3),氧在边缘中心。
钙钛矿光伏器件价格便宜,易于生产,具有许多潜在的结构,可以使用多种材料。亚博网站下载它们具有很好的光电性能,并获得了较好的功率转换效率。然而,它们在I-V曲线上表现出滞后,暴露在湿气、光和热下是不稳定的,提供环境毒性问题,因此,在这些方面需要更多的工作,才能成为可行的更广泛的应用。通过精细的形貌工程实现界面的钝化可能有助于克服这些问题。
纳米粒子在yabo214光伏
纳米粒子可yabo214以定制带隙,因为不同形状和大小的纳米粒子可以吸收光谱中的光。控制生产,更好的冲击电离,以及从一个光子产生多个载流子是其他的理论优势。
虽然在实验室中已经报道了44%的效率,但这种材料在实际光伏器件中的适用性仍有待证实。亚博网站下载
有机,染料敏化和杂交细胞
有机光伏(OPV)和染料敏化电池的研究日益深入。PV效应依赖于一个或多个有机分子或半导体,如PCBM(苯基- c61 -丁酸甲酯)。
染料敏化太阳能电池生产简单,成本低,理论效率高。在杂交细胞中,使用有机或金属有机染料。
DSCs和混合细胞都可以通过使用不同的染料进行调节,但长波长光子捕获仍然是一项艰巨的任务,因为这种染料的制造既困难又昂贵。毒性和老化问题一直是制约有机光伏电池发展的难题。
OPV存在的问题包括降解反应、不稳定和性能降低。低电子迁移率、电极接触不良和材料中的缺陷是低效率的原因。
量子点太阳能电池
可打印胶体量子点太阳能电池利用材料的小,使量子约束效应变得活跃,从而产生不同的光电特性,如尺寸依赖的发射和光学吸收带。
专门的聚合物和富勒烯电池正在探索中。然而,材料的变化会影响形貌,从而影响效率。为了解决这个问题,人们正在研究交联分子或聚合物,以防止任何形态上的变化。
材料老化
材料老化和光暴露变质是其他问题,使该技术不能广泛应用。这一方面涉及到结构材料和内在稳亚博网站下载定性两个方面。
生命周期问题
由于材料的毒性和回收潜力,包括供应链和环境问题,生命周期也可能提供限制性限制。亚博网站下载
曾经在电力行业应用的体积变得足够大,增加的数量和各种情况下使用PV,它变成了一个挑战全球力量的新型光伏系统集成场景和存储生成的能量,以及建筑和审美方面。
尽管理论上PV设备的能量转换限制很高,但在实践中,大多数PV电池的效率仍然低于标准。
结论
综上所述,除了目前的体积和薄膜半导体外,第三代光伏器件的生产还需要解决一些主要问题。目前,薄膜光伏电池的尺寸缩小和制造工艺的改进是太阳能电池继续吸引发电的原因。
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