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降低光伏发电成本的途径


降低光伏发电成本的途径


来源:环球能源网  作者: 求实   编辑:安妮  2007-08-27 16:48:23


据预测,到2020年,太阳能光伏发电将占全球发电总量的1%;到2040年,光伏发电量将占全球发电总量的21%。而随着当前世界光电技术及其应用材料的飞速发展,光电材料成本大幅下降,光电转换率不断提高,未来太阳能发电的成本将大幅度下降。
  前20年以来,研发活动己使太阳能光伏(PV)发电成本大大降低,从几美元/kwh减小到小于25美分/kwh。通过开发更好的制造技术,出现了较高效率的光伏设施和新的太阳能纳米材料。美国国家可再生能源实验室(NREL)与工业界预计,太阳能光伏(PV)发电成本将会进一步降低,到2025年将降至4~6美分/kwh。。
  使PV成本降低2倍的途径,一是进行短期应用研发,以降低现有工艺和制造方法的成本。NREL在美国参与研发已有近30年历史。PV工业正在降低制造成本和扩大生产能力。己取得了重要成果:从1992~2004年成本下降了58%。同时,PV制造商预计将采用更好的装配方法和实现规模经济,以进一步降低成本。
  第二条途径是继续从事长期研究以降低成本,开发新一代可再生能源技术。对于太阳能PV,可望成为纳米结构材料的一种型式,NREL的科学家及其他研发人员正在加快开发。这些材料的开发,可通过使用多层半导体,以提高太阳能电池效率,可望开发出极低成本太阳能电池材料,可在各种场合应用。
  1. 规模化生产提高经济性
  硅是目前最理想的太阳能电池材料,85%以上的太阳能电池组件由晶体硅做成。晶体硅主要包括多晶硅和单晶硅,多晶硅又是加工单晶硅的原料。随着信息技术和太阳能产业的飞速发展,全球对多晶硅的需求快速增长,市场供不应求,价格大幅上扬。2005年全球多晶硅产量为30200吨,高度集中在美国、日本和德国的7家企业,其中半导体集成电路消费20100吨,生产太阳能电池消耗10100吨。目前全球制造太阳能电池所需多晶硅缺口达24%,且今后几年全球市场的短缺状况仍将继续。
太阳光伏板成本的进一步降低将使光伏发电与常规电力相比更具竞争性。一个途径是使生产大规模化以提高经济性。据美国太阳能工业协会(SEIA)估计,工业生产能力每翻一番,太阳光伏板成本可下降18%。在过去20年内,太阳光伏板成本已每年平均下降6%。
  以美国加州为基地的应用材料生产商Santa Clara公司是半导体和显示工业化学应用设备的领先者,该公司已于2006年9月进入光伏工业。该公司的发展策略是应用在集成电路和显示领域开发的技术拓展到大规模的光伏产品生产中。
  应用材料公司的太阳能业务公司认为,光伏产品与集成电路生产两者所用材料都是硅晶片,有关技术相互融通。该公司拥有各种用于光伏产品大处理量的经验,例如,在集成电路制造中,氮化硅用作为介电材料。在光伏电池中,该公司使用活性溅射技术应用于氮化硅层,从而可使硅阱更轻。
这类技术有助于光伏工业从现在每年生产约50MW光伏电池量的工厂转变为每年的产量达到100MW,甚至GW(109W)级。达到规模经济性,就可加快太阳能发电模块成本的下降,从而可与其他电能相竞争而推向大量发电。
  2. 制造更薄的硅晶片
  推动光伏发电成本下降的另一办法是解决硅的短缺,因为硅的短缺而使成本上升和应用受限。当今绝大多数太阳能电池均从大块晶体切成硅晶片加以制取。这些硅晶片典型的厚度为0.2~0.25mm,而绝大多数光→电转换却发生在晶片的最外层0.02mm处。据GE公司的分析,硅占制造太阳能电池板成本50%以上。趋势是最大化的利用硅晶片,采用更薄的硅晶片而产生同样的电力。为降低硅的成本,工业上正在将应用于光伏电池的硅晶片切制得越来越薄。杜邦公司称,硅晶片的厚度平均约为300 µm,这一厚度现已减小到约180 µm。并还可望使其减小到更薄。
  为了减少太阳能电池所需的Si数量,BP太阳能公司与德国Crystal Growth研究院(IKZ)进行为期3年的研究课题,以开发一种工艺可将Si沉积在低成本的载体如玻璃上。截至目前,Si薄薄地沉积在玻璃上因晶粒高密度的限制,而使转换效率很差。IKZ期望通过两步法工艺来解决这一问题。第一步在玻璃表面用Si结晶有规则地分布使之成核。然后晶种再用金属溶液通过晶化使之长大。目标是形成连续的多结晶层,其厚度小于0.05mm。
  另外,美国加州约Ferro电子材料系统公司于2006年9月推出一种新的材料,可使太阳能电池制造商大大减少硅的用量。镀铝和银的无镉和无铅体系据称可提高Si晶片的电性能,其厚度小于180µm,现在的“薄”型晶片厚度为240µm。
  应用材料公司比较了光伏工业中硅晶片的变薄与半导体工业中电路线的变窄,认为在一定程度上相似,每10年太阳能硅晶片的厚度就减小了一半。
  GE公司则不是直接制取薄的硅晶片,而是开发从硅粉末浇注硅晶片的技术。这样浇注制造的硅晶片虽较厚,并且与传统硅晶片相比能效较低,但制造速度较快,与常规硅晶片切制过程相比,可减少废品30%。
  较薄的硅晶片会带来其他一些变化,例如,较薄的硅晶片必须用更先进的材料封装,才能有效地组合到太阳能电池板中。
  BP太阳能公司开发了新的“硅增长”工艺,据称,与传统的多晶硅太阳能电池相比,可大大提高电池效率。这类太阳能电池采用称之谓Mono2的硅晶片制作,并与BP太阳能公司在电池工艺技术方面的其他进步结合在一起。产生的电力比常规工艺制造的电池要高出5%~8%。BP太阳能公司计划在Frederick工厂的现有设备上采用Mono2技术,实现大规模生产。将这类模块组合在过程中生产将于2007年实现。
  超高效能太阳能电池可明显地提高光电转化率。超高效能太阳能电池与传统的太阳能电池有所不同。传统电池只使用一种半导体硅片,超高效能电池(也叫“多层”电池)则使用三层不同的半导体材料。超效能太阳能电池因此能克服硅电池的主要局限性:传统的硅电池能吸收大多数光谱中的光子,但其转变成热能的比例要高于转变成电能的比例,发电效率并不高。而超高效能电池采用三种材料,这三种材料能将光谱不同部分的光转变光能,效率较高,其结果是更多光能转变成电能,转变成热能的光能则很少。
  3. 发展非多晶硅技术
  有机薄膜电池技术
  2005年光伏发电设备制造商使用了世界硅材料的一半,并正在与半导体和微电子公司相竞争。就原材料而言,世界上光伏发电约95%都是使用基于硅的组件。但可以相信,这种状况将很快改变。预计硅材料用量将增长、成本将下降,并且世界上已开始使用基于非硅的薄膜技术,这是第二代太阳能光伏技术。基于有机物的技术可望采用涂刷或喷墨印刷方法。
  据美国集团于2007年1月初发布的太阳能产品研究报告,2010年太阳能光伏(PV)组件产品的需求将比2005年增长2倍以上,达到13亿美元。2005年美国PV电池仍以多晶硅电池为主,占发电能力76%。然而,薄膜电池增长较为强劲,随着有更多的制造商开始大规模生产,2010年薄膜电池将比2005年增长11倍以上,这种太阳能产品成本为4300美元。
  非多晶硅技术也可解决多晶硅短缺问题。位于密歇根州Hills的光伏发电公司——美国太阳能Ovenic公司在密歇根州Hills运作一套装置,基于薄膜无定形硅技术的光伏电池发电约25MW/年。该技术有二方面成本优势,一是原材料为硅烷气体,而不是供应短缺的多晶硅。其原材料成本比多晶硅要低得多,同时不会影响多晶硅的短缺。二是该类电池可用滚卷工艺制成柔性不锈钢基材,进一步降低了成本。这种材料在将太阳光转变成电力时的效率不超过15%~20%,不如多晶硅基电池,但它无需直接照射的太阳光也可发电。为此,可长时间地产生更多的kwh电力,使发电量相同。
  美国太阳能Ovenic公司现己开始投用在Auburn Hills的另一条25MW的生产线,并且该公司正在设置在密歇根州Greenville的二条60MW生产线:一条于2007年投用,另一条在2008年投用。该公司到2010年将拥有300MW发电能力。
  美国旧金山市一家私营公司将在海湾地区建设世界最大的太阳能薄膜电池生产厂,将增加太阳能产品供应,为全美提供清洁的能源。这家太阳能电池工厂采用最新的工艺技术生产薄膜电池,2006年开始建设,2007年投产,生产像纸一样薄、灵活程度很高的太阳电池。这些电池产品,首先将装配太阳电池板,最终被裁切为不同样式,以适应各种建筑部件的形式,并将向大型建筑屋顶、家庭与独立太阳能电站销售。年产量将达到430兆瓦。发电量足以为32.5万个家庭提供生活用电。截至2006年,美国所有太阳电池生产厂的年总产量为153兆瓦。在太阳电池产量方面,美国落后于日本和欧洲,位居第三,约占全球市场份额的10%。 新太阳能薄膜电池厂将使美国的排名上升到第二,而且将成为国际一流、具有价格竞争力的太阳能电池生产厂之一。采用新技术生产的太阳能薄膜电池运用了复杂的高新科技,将太阳能电池“印”在塑料和金属箔上,使用一种铜合金涂层来吸收阳光并产生电能。其效率与传统的太阳能晶硅电池基本相当,而且制造成本仅为传统晶硅电池的1/5。
  本田公司于2006年12月初宣布投资40亿日元建立本田硕泰克公司,公司将专营薄膜太阳能电池的生产和销售。这也标志着本田公司全面进入太阳能电池商业领域。本田准备量产的是利用铜-铟-镓-硒(CIGS)化合物薄膜的太阳能电池,由本田工程公司开发。模块转换效率约为12%,接近过去的硅太阳能电池的水平,同时生产过程中必需的能耗可控制到现有硅太阳能电池的一半,少排放二氧化碳50%。新工厂位于日本熊本市,占地2.5万平方米,预计年产量将在2007年达到27.5MW(据估算可供8000户普通家庭使用)。在该工厂量产之前,本田硕泰克公司计划从2007年3月开始在本田工程公司所在地———栃木县周边地区销售本田工程公司生产的太阳能电池。预计销售将于2007年秋在全日本展开。本田已经开始在美国进行基于太阳能电池的燃料电池车供氢站的实验。也就是通过用太阳能电池发出的电力对水进行分解,生产氢气。估计即将开始量产的太阳能电池也将用于这样的用途。  
  位于密西西比州Lowell的Konarka公司正在开发基于有机半导体的非多晶硅技术。聚噻吩已在有机半导体中引起诸多注意。虽然它替代光伏用途的效率比基于多晶硅的电池要低,但它与传统电池相比,可在宽范围的强度下利用光线。Konarka公司技术的优点是可望采用连续滚卷生产方法来制造光伏产品,该公司正在使该技术进行工业化放大。薄膜光伏产品已引起人们关注,虽然基于多晶硅的光伏电池现占太阳能市场约95%,但薄膜光伏电池到2010年初可望增长到占市场20%比例。
  壳牌公司在太阳能领域推出新一代技术,包括CIS“薄膜”电池。据称,非硅基技术如CIS今后在零散电力利用方面具有竞争力。壳牌公司的CIS技术已有4年的生产和销售经验。该技术已得到国际电力技术委员会的认证,采用薄膜产品的技术效率己达13.5%。为集中于CIS“薄膜”电池技术,壳牌将其晶体硅太阳能业务剥离给SolarWorld公司。壳牌公司的硅基业务年发电约80MW。在德国和美国(华盛顿州和加州)的生产设施、销售和硅的研发业务将转让给SolarWorld公司。
  面对晶材料短缺和未来太阳能工业的潜在需求,二家欧洲公司将发展新一代非硅技术,作为硅基太阳能电池组件的能效替代方案。壳牌Erneuerbare能源公司与Saint-Gobain玻璃德国公司于2006年12月底创建AVANCIS公司,开发、生产和推销新一代太阳能电池技术,该技术基于壳牌公司沉积在玻璃上先进的铜-铟-硒(CIS,二硒化铜铟)薄膜。该公司将在德国Torgau建设生产装置,利用CIS技术生产光伏电池板。该装置初期能力为20MW,将于2008年投产。基于研发经验,光电转换效率为13.5%。该装置初期年生产能力为20MW,产生的电力相当于6000户欧洲家庭1年的用电量,该电量可使燃煤电厂减少发电而产生的约1.4万吨CO2/年。壳牌公司和Saint-Gobain 公司相信非硅基太阳能技术如CIS在与常规电源相竞争方面将有发展潜力。该合资企业组合了壳牌公司的CIS技术经验与Saint-Gobain 公司在玻璃加工方面的深层技巧。

图. 壳牌公司CIS“薄膜”电池
  美国旧金山市一家私营公司将建设世界最大的太阳能薄膜电池生产厂,将增加太阳能产品供应,为全美提供清洁的能源。这家太阳能电池工厂采用最新的工艺技术生产薄膜电池,2006年建设,2007年投产,生产像纸一样薄、灵活程度很高的太阳能电池。这些电池产品,首先将装配太阳能电池板,最终被裁切为不同样式,以适应各种建筑部件,并将向大型建筑屋顶、家庭与独立太阳能电站销售。年产量将达到430兆瓦。发电量足以为32.5万个家庭提供生活用电。目前,美国所有太阳能电池生产厂的年总产量为153兆瓦。在太阳能电池产量方面,美国落后于日本和欧洲,位居第三,约占全球市场份额的10%。新太阳能薄膜电池厂将使美国的排名上升到第二,而且将成为国际一流、具有价格竞争力的太阳能电池生产厂之一。目前,世界大约90%的太阳能电池由晶硅材料组成,精炼硅材料十分短缺。而采用新技术生产的太阳能薄膜电池运用了复杂的高新科技,将太阳能电池"印"在塑料和金属箔上,使用一种铜合金涂层来吸收阳光并产生电能。其效率与传统的太阳能晶硅电池基本相当,而且制造成本仅为传统晶硅电池的1/5。太阳能薄膜电池的生产工艺,与生产计算机芯片的工艺流程相比,看起来更像是在印报纸。生产从一个巨大的金属薄片滚轴开始,将材料"印"在上面,并进行切割,实现了将太阳能产业从半导体业务经济模式转移到"印刷"业务经济模式,是一种新的突破与创新。
  美国普林斯顿大学电机工程系的研究人员结合各种最新的研究成果,发明了可以制造出更有经济效益的太阳能电池(光电池)的技术。虽然这种新的太阳能电池的供电效率并不比传统的太阳能电池高,但是它的造价却相当低廉,而且可以有更多的用途。新的太阳能电池用有机材料制成,具有超薄、可弯曲、可贴覆在大面积上等特点,将有机物质以打印或是喷洒的方式贴覆在塑料片上,即可制成一大片太阳能板,使用时只要将这卷太阳能板摊开放在的屋顶上即可。此外,这种电池也可以被制成不同的颜色,使它们成为迷人的建筑材料;或者将其制成透明的,使之可以直接贴在窗上。研究人员现在正计划结合新的材料及技术,使光电转换效率至少提高到5%以上,使这技术具有商业化的吸引力。随着进一步商业化的研究发展,有机材料太阳能的光电转换效率可望到达到5%~10%。
  印刷电子产品应用于光伏电池是新技术应用的重要市场。采用印刷技术大规模生产光伏电池给美国Nanosolar公司带来了低成本生产的发展机遇。该公司最近投入1亿美元,实施了商业化规模生产光伏电池计划。该公司在旧金山附近建立的太阳能电池生产工厂,能力为每年生产2亿块太阳能电池。该公司还将在柏林建设先进的太阳能板组装工厂,设计年生产超过100万块太阳能电池板。该公司已开发了专有技术,使其可生产滚动打印太阳能电池,其厚度为标准硅晶片电池的百分之一。这一技术涉及将含有铜、铟、镓和联硒化物的光传导油墨打印在柔性基质上。利用滚转打印系统可生产出柔性光伏电池。而光伏电池的长度可裁剪成适合于某些屋顶的尺寸大小。这一技术带来操作费用和投资费用约节约。一座年生产能力为2亿块太阳能电池的工厂,如果采用常规太阳能技术建设,投资超过10亿美元。Nanosolar公司的投资方包括从事投资的美国SAC投资公司、英国GLG伙伴公司和德国Grazia投资公司,以及从事保险业的瑞士Swiss Re公司。多家公司的投资组合将使太阳能电池和太阳能电池板的低成本生产推向一个新水平。
  德国最新研制出一种太阳能百叶窗帘,百叶窗通常是控制室内采光的一种简单而有效的装置,而德国的太阳能百叶窗帘则能把不必要的光吸收并储存起来,在晚上使用。这种百叶窗帘的每一条叶片的向阳面都有一层薄薄的柔性光电膜。它能将太阳光转变为电能,储存在充电池内。夜间,叶片朝向室内一边的荧光发出柔和的光线,提供房间背景光。一扇0.9×1.8米带有14条叶片的太阳能百叶窗帘发出的光,相当于两个20瓦的白炽灯泡的亮度。为了营造不同类型的氛围,此电荧光源可调成纯红色到白色不同颜色。阳光充足时,太阳能百叶窗帘可产生49瓦的电。它储存的电能除用于照明外,还可以用来驱动其它电器如换气扇等,节省了电能。
  其他非多晶硅技术
  一些其他非多晶硅技术太阳能电池的技术也在开发之中。
  在纷纷投资建设多晶硅生产线的时候,从美国硅材料公司道康宁传来信息——一种多晶硅的替代物己开始供应市场。美国著名硅体生产商道康宁(Dow Corning)宣布,已成功利用冶金级硅  (metallurgical silicon)制造出太阳能级(solar-grade)硅材料,从而有望解决太阳能产业发展面临的多晶硅原料短缺瓶颈。硅是生产太阳能电池的主要原材料,然而多晶硅材料的供应短缺问题在近年来却成为太阳能市场成长的最大障碍。资料显示,2002年全球太阳能级多晶硅的需求量为6800吨,2003年为8700吨,2005年则上升到1.56万吨,四年之间增长了1.3倍。而根据国外机构预测,2005年世界多晶硅的产量为2.88万吨,其中半导体级多晶硅为2.07万吨,太阳能级为8100吨。从需求上看,半导体级多晶硅需求量为1.9万吨,略有过剩;太阳能级的需求量为1万吨,呈现供不应求之势。预测分析称,2006年、2007年间,全球多晶硅短缺量在5000吨左右,这个缺口需要在3年之后才能够补上。道康宁公司称,其名为PV1101太阳能级硅材料可以减少太阳能产业对多晶硅的依赖。据介绍,PV1101太阳能硅材料是该公司新推出的一种产品,这种硅材料可以减少太阳能用多晶硅的用量。比如说,10吨的多晶硅原料可以混合2吨左右的PV1101硅材料,可以形成12吨左右的太阳能用硅原料。道康宁公司称,PV1101硅材料的产生是太阳能技术更新中的里程碑。PV1101不仅减少多晶硅的用量,而且还会降低太阳能电池的生产成本。公司位于巴西桑托斯的太阳能解决方案小组采用一种新的技术方法,从硅材料中提炼出PV1101太阳能级硅。目前,PV1101混合材料已接受全球多家独立机构及道康宁太阳能方案客户工厂的实际测试,结果显示此混合材料在太阳能电池的生产和效率等方面都展现出类似于多晶硅的效能特性。道康宁已开始批量生产PV1101,并从2006年8月起大量向客户供货。尽管道康宁承认,PV1101还不能完全替代多晶硅,但是足以对现有的多晶硅市场产生震慑作用。分析人士认为,多晶硅新的替代物出现将扼杀多晶硅价格上涨的预期。资料显示,由于太阳能市场需要大增,太阳能级多晶硅的市场价格也一路高涨,价格已经从2003年的每公斤23美元,上升到2005年底的每公斤90美元,已经高于半导体级多晶硅的平均市场价格。有预测称,2006年多晶硅的价格可以攀高至130美元。
  太阳能板与电池制造商位于美国加州圣荷西的Sun Power公司已成功提高太阳能板的输出功率与尺寸,可望大幅改善现有面板的供电性能。该第二代高功率产品新面板预定2007年投产。该公司宣称已成功将硅电池的输出功率由原先的20%提高到22%,新的5英尺×3.5英尺面板可装入96个电池,现有产品只能装入72个电池。整体而言,这些改变可提升供电性能达43%。每张面板可产生315瓦电力,成本大约和现在一样。单晶硅电池输出功率的理论上限大约是25%。其他公司也正积极开发其他材料的太阳光伏电池生产技术,特别是CIGS(铜铟硒化镓)。
  在前20年中,研究人员曾使太阳能电池设施达到了40%的转换效率。80年代初期,美国能源部开始研究多接合式砷化镓基太阳能电池设施,这类多层太阳能电池将光能转换成电能的效率约达16%。1994年,美国能源部国家可再生能源实验室突破了30%转换率,被航天工业所采用。当今绝大多数人造卫星都采用这类多接合式电池。
  美国能源部于2006年12月表示,美国一家机构制造的太阳能电池创造了光电转换效率40.7%的新纪录。这种太阳能电池由美国波音-光谱实验室制造,其电池板采用了不同的半导体材料,各种材料的交界面形成了特殊薄层。这样的结构能使电池板“包容”的光谱范围更大。与普通太阳能电池相比,新电池能“抓住”阳光中更多种波长的光子,从而使光电转换率达到40.7%,而目前广泛使用的太阳能电池光电转换率仅为13%~22%。美国能源部认为,上述研发成果迈出了重要一步,以此为基础有望最终研制出理想的太阳能电池。
  美国波音公司的全资子公司Spectrolab公司在美国能源部的部分资助下,于2006年底正式宣布,使光伏(PV)电池实现了一次里程碑式的突破,光伏电池转换效率达到了40.7%,这项突破可望使PV系统设置成本达3美元/W,生产的电力成本为0.08~0.10美元/kwh。这种光电转换效率达40.7%的电池采用了称为多接合式太阳能电池。这类电池通过捕捉更多的太阳能光谱从而具有较高的效率。在多接合式太阳能电池中,将单个的电池叠层制造,其中每一层都可捕获通过电池的部分光线,从而使该电池可从太阳光中吸收更多的能量。据Spectrolab公司介绍,这类高效的多接合式电池在集能器系统方面优于常规的硅电池,因为它只需要较少的太阳能电池就可达到同样的电量。这些效果通过采用新一类的变性半导体材料来达到,从而使多接合式电池设计用于太阳光谱优化转换方面拥有大得多的自由度。这些材料极好的性能预示着在未来太阳能电池方面会有较高的效率。

图. 多接合式太阳能电池光电转换效率达40.7%
  基于纳米管的太阳能电池加快开发。单壁碳纳米管(SWNT)因其具有独特的化学和物理性质而引起人们的极大注意。据美国Natre Dame大学辐射实验室的Guldi D.M.的研究,单壁碳纳米管 (SWNT)的重要性在于可开发利用其电子授体集合体的官能度和功能性,研究发现,添加不同的原子基团,可使纳米管达到功能化目标,可望用于生产宽范围的电子组件—太阳能电池。
  Guldi及其同事—意大利Bologna大学Baolucci F.和意大利Trieste大学Parto M. 将二茂络铁附着在单壁碳纳米管(SWNT)的壁上,这种加环反应涉及二茂络铁分子中的原子与纳米管两个碳原子之间的环闭合,约每一百个纳米管附着一个单元的二茂络铁。二茂络铁为二层五元碳环之间插入铁原子的集合体,这些原子可作为电子授体。如果将这种碳纳米管用见光照射,它们可用作由二茂络铁释放的电子的授体。研究人员已首次推出开发基于改进的碳纳米管燃料电池的判据。
  美国Notre Dame大学的研究课题组开发了碳纳米管——二茂络铁组合物,可用作太阳能电池。该组合物材料用光照射,二茂络铁可作为碳纳米管的电子授体,产出电流。
  美国位于Los Angeles的加州大学(UCLA)研究人员开发了低成本塑料太阳能电池,最终可望以传统电池10~20%的成本进行生产。现在太阳能电池近90%由硅制造。加州大学开发的这种电池由两个导电电极之间夹合塑料的单一层制造。据称,效率为4.4%,该电池也是迄今所生产的最高效的塑料太阳能电池。据加州大学称,聚合物太阳能电池性能最终目标是效率为15~20%,寿命为150年。大型硅组件同样寿命时典型的效率为14~18%。
  美国Berkeley实验室和加州大学开发了从溶液制取无机纳米结晶,并第一次用作超薄太阳能电池。这种纳米结晶太阳能电池价廉,且比从有机聚合物制取太阳能电池更易于制造,因为它不含有有机材料,在空气中也更为稳定。二种半导体(硒化镉和碲化镉)的棒状纳米尺寸结晶被分别合成,然后溶解在溶液中并浇铸在导电玻璃基质上。得到的薄膜将太阳光转变为电能的效率为3%。虽然这一效率低于有机聚合物(理论上效率可达20%~25%),但这种纳米结晶太阳能电池为超薄型,并由溶液加工,这表明它具有降低成本的潜力。绝大多数太阳能电池基于硅,需组合拼装和控制条件,如高真空和400~1400℃温度。
  澳大利亚研究员表示,模仿植物中的叶绿素创造的合成分子,据此也许有一天能研制出高效的太阳能电池。由悉尼大学的马克斯•克鲁斯雷教授领导的分子电子学科研组,在罗马举行的国际卟啉和酞菁染料大会上提出了他们的研究成果。克鲁斯雷表示:“经过数百万年的演变,自然能很有效的捕获到光并把它转化成能量。我们正在设法模仿自然的光合作用方式。”叶子利用体内排列密集的叶绿素分子将光能转变成电能,然后再转变成化学能。促成叶绿素这一功能的必不可少的元素是色素卟啉,它位于镁离子的中心。克鲁斯雷和他的科研组已经制造出叶绿素(在光合作用中居于首要地位)的合成形式,它能将光能转化成电能。与自然状态下一样,当这些合成分子密集的排列在一起,它们就会一致行动,有效的收集太阳光子。克鲁斯雷说:“必须有很多这种合成分子,因为如果只有一个分子,它的作用效率是非常低的。”研究员制造了一个形状像足球的合成叶绿素分子。它有一个树状大分子支架,是一个由碳、氢、氮合成的高度分岔的纳米聚合体。粘附在树状大分子上的是捕获光的色素卟啉的人工合成版本。一种被称作“巴基球”的球形碳分子坐落在卟啉之间,从收集到的太阳光子中吸收电子。克鲁斯雷和他的科研组已经利用合成叶绿素建造一个有机太阳能电池的雏形。它以自然释放为基础,他们希望最终能制造出比现有太阳能电池更有效的电池。绿叶能有效的将30%~40%的光能转变成电能,而通常以硅元素为基础的太阳能电池只能有效的将12%的光能转变成电能。克鲁斯雷称:“已经拥有了模仿光电设备或太阳能电池的主要成分。从长远来看,必须设法生产出一种能像薄薄的一层油漆那样,简单的涂抹在屋顶上的东西。”科研组还希望能制造出存储装置,用来代替以金属为基础的电池。克鲁斯雷说,当用来吸收太阳光的分子不是太大时,才能最有效的将光能转变成电能。这种分子的理想直径大约是它吸收的光的半个波长,他认为是300~800纳米的可见光。克鲁斯雷说:“你的材料不能制作的太稠密,因为那样光线就无法通过它。”他表示,有很多科研组织都在利用纳米技术创造更有效的太阳能电池。因此人们都竭尽全力,利用各种新奇的纳米材料和方法,以便使以太阳能为基础的电力生产获得更高的效率。
  日本国家物质材料研究所、南京大学提出了直接利用太阳能解决能源枯竭和地球环境污染等问题的新能源观点。为有效利用无穷无尽的洁净能源——太阳能,模仿自然界植物的光合成作用原理,开发出人工光合成材料技术一直被称为“21世纪梦想的技术”。南大环境材料与再生能源研究中心,利用纳米高效光催化剂技术首次在世界上研制成功光合成模拟型太阳能电池,具有广泛的实用化前景。2003年11月,南京大学环境材料与再生能源研究中心课题组利用纳米高效光催化剂技术研制成功光合成模拟型太阳能电池,其转换率达到和非晶硅太阳光电池同样的太阳能转换率水平,并完全有可能超过现在的水平,而其成本仅为非晶硅的十分之一。这种新型太阳能电池以模拟植物的光合作用为原理,直接利用太阳能发电,可用来代替现有的核、水力、火力发电,应用于边远、缺电地区,具有广阔的实用前景。
  我国南开大学承担的国家'十五863'重点课题'铜铟硒太阳能薄膜电池实验平台与中试线'取得关键性突破。作为标志太阳电池整体水平的指标———电池光电转换效率达到12.1%。该项目的核心铜铟硒太阳能薄膜电池因代表着太阳能电池的重要发展方向,因而受到高度关注。铜铟硒太阳能薄膜电池(简称铜铟硒电池)是在玻璃或其它廉价衬底上沉积若干层金属化合物半导体薄膜,薄膜总厚度大约为2~3微米,利用太阳光发电。铜铟硒电池具有成本低、性能稳定、抗辐射能力强等特性,光电转换效率目前是各种薄膜太阳能电池之首,正是由于其优异的性能被国际上称为下一时代的廉价太阳能电池,吸引了众多机构及专家进行研究开发。但因为铜铟硒电池是多元化合物半导体器件,具有复杂的多层结构和敏感的元素配比,要求其工艺和制备条件极为苛刻,目前只有美国、日本、德国完成了中试线的开发,但尚未实现规模化生产。南开大学光电子所在各层薄膜材料形成机理及反应动力学、器件结构和各层材料界面的相互作用等关键问题上取得重要进展,一些关键技术取得了突破,并申请了两项发明专利。铜铟硒电池是新一代最有前途的薄膜太阳能电池之一,有可能成为未来太阳能电池商品化、产业化的主流产品。目前,课题组正在抓紧中试线技术开发研究,力争在未来5年内取得技术上的成熟,实现产业化的跨越。
  4. 光合作用原理催生新型太阳能电池
  作为21世纪最有潜力的清洁能源,太阳能产业有着巨大的发展前景,可以为目前能源短缺和非再生能源的消耗所引起的环境问题提供一个很好的解决途径。
  实际上,如果能将太阳光照射地球表面1个小时产生的所有能量聚积起来,就足以满足人类整整一年的能源需求。但是,目前最有效也是最昂贵的太阳能电池也仅能将所获得光能的17%%转化为电能,而成本较为低廉二氧化钛太阳能电池的光转化效率只有10%%。如何将这些免费送达地球的能量加以充分利用,是发展和推广太阳能应用的关键。
  植物的光合作用给了研究人员很多启发。绿色植物和藻类能吸收并利用光能,通过光合作用生长繁殖,而捕光正是光合作用中最原初的过程。比如生活在罕见阳光的深海环境中的海藻,就可依靠一种被称为聚光色素复合体的杆状结构来捕光,色素复合体中含有数千个聚光色素分子,可以帮助海藻吸收极微弱的阳光。这些能吸收聚集光能的色素也被称为天线色素。德国卡尔斯鲁厄大学纳米技术研究所的巴拉班表示,深海海藻通过天线色素能够捕获可利用光中高达97%%的光子。
  事实上,所有植物都有这种由一层层聚光色素分子构成的“天线”,大部分绿叶的光利用率在30%%—40%%。以此为基础,巴拉班以及很多科研小组都研制出了类似的人造“捕光天线”,并计划开发带“天线”的新型太阳能电池,希望藉此能够提高太阳能电池的效率。
  澳大利亚悉尼大学的马克斯•克罗斯利带领的研究小组率先利用合成紫质(卟啉,一种色素分子)制成了人造“捕光天线”。合成紫质可以吸收较大范围光谱的光,将100多个这种分子“搭建”在类似植物脉络结构的支架上,就形成了“捕光天线”。不过依靠现有技术,一点一点排列这些色素分子是一个耗时耗力的过程。
  美国亚利桑那州州立大学的研究人员则试图采用DNA折纸术来控制色素分子的排列,让“捕光天线”进行自我组装。所谓DNA折纸术,就是用一根单线条来绘图,将一根长的DNA单链像绳索一样反复折叠,最终形成所需要的图形。研究人员将合成紫质与DNA单链“绑”在一起,并希望通过多条DNA单链的组合,构建出一个含有大量色素分子的三维支架状“天线”。
  而巴拉班则直接照搬了自然界植物“捕光天线”的原理。他和同事发现,有些分子可以吸附在植物色素分子上,并像胶水一样将色素分子黏合在一起。他们找到了很多可以充当“胶水”的物质,包括锌分子等。实验证实,在“胶水”分子的帮助下,合成紫质分子很容易就自动结合在一起形成“捕光天线”,并且能够在阳光下吸收光子。巴拉班表示,要让这个雪茄状“天线”吸收特定光谱范围的光,只需调整它的长度就可以了。如果吸收可见光,“天线”长度通常在100纳米左右。巴拉班目前正在尝试将人造“天线”安装到二氧化钛薄膜上,这是制造低成本太阳能电池的关键一步。他还打算将这种“捕光天线”与不同的半导体材料结合,运用到现有的其他种类太阳能电池上。
  那么,“捕光天线”到底如何为太阳能电池提供更多能量呢?
  在植物的光合作用中,天线色素分子将吸收的光能传递给一种特殊的名为P680的叶绿素分子,P680吸收能量后释放出高能电子,将二氧化碳转化成为植物所需要的糖分。而在太阳能电池中,合成紫质分子吸收光子后将其传递到半导体材料,光子经碰撞后各释放一个电子,从而形成电流。
  不过,麻省理工大学的丹尼尔•诺切拉认为,要促使太阳能转变成为目前主要的能源资源,单单依靠安装“捕光天线”来提高太阳能电池的效率是不够的,还需要找到有效储存太阳能的方法,以方便运输,同时保证夜间也能使用。
  诺切拉也正在同斯坦福大学的内森•路易斯合作研制“捕光天线”,不过他们的目的不是要将光能转化为电能来利用,而是要制造更容易储存的氢。在他们的装置中,光子释放出来的电子在催化剂的作用下,可以将水分解为氢气和氧气。氢气可以储存在太阳能电池中备用。整个过程与光合作用将水分解为氢和氧的原理相似。
  虽然利用可再生能源制备氢气的做法并不新鲜,但是诺切拉相信,他们研制的带有“捕光天线”的太阳能电池制氢装置,不仅能够提高电池的使用效率,而且还可以避免电能转移过程中出现的能量损失问题,可谓一举两得。不过,诺切拉承认,将这两个步骤成功地合二为一还需要一定时间。

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