2013年太陽能光伏發電的應用研究

      基礎研究與材料研究都是為太陽能光伏發電利用技術的應用打下了良好基礎。

      1改變微觀結構

      太陽電池的內部結構決定其光電轉化效率。主要進展包括：

      （1）利用硅柱“森林”改變結構。研究者為改變普通硅薄膜太陽電池無法吸收波長比其薄膜厚度更大的光子，在薄膜太陽電池中硅的表面蝕刻出很多納米尺寸的像森林中樹木的硅柱，當光線射入硅柱組成的“森林”后，光線就會在“森林”的底部以及“樹木”問不斷進行反射，無法輕易“脫身”。每一次反射都會增加吸收光子的機會。而每個納米支柱的上半部分還可通過添加摻雜劑的方式制成電極。通過電腦模擬，已確定該薄膜太陽電池的最佳外形和性能。

      相關市場調研報告請見中企顧問網發布的《2013-2018年中國太陽能光伏發電市場專項調研及未來前景研究報告》

      （2）利用納米材料改變結構。①利用納米和光纖技術相結合，形成獨特的三維主體結構，包括光纖和垂直生長于光纖表面的氧化鋅（ZnO）納米線陣列的DSCs，入射光在每一次反射中通過ZnO納米線與其表面附著的染料相互作用，并在光纖內傳播過程中多次反射，增加入射光子與納米線表面染料相互作用的次數，大大提高對光線的吸收及光電子的輸運效率，從而提高其光電轉換效率，相對于光線照射在光纖側壁，光線沿軸向傳播將DSCs的能量轉換效率提高6倍心8|。在AM 1．5照明水平（100 mW／cm2））光照下，基于ZnO納米線的三維DSCs的光電轉換效率達到3．3%。這比同類型二維DSCs的最高效率高120%，比TiO，薄膜涂層的ZnO納米線的染料太陽電池效率高47%。該成果開辟了設計使用光纖和有機、無機材料混合結構的三維高效多功能太陽電池的嶄新方法和思路。②利用很輕、很強韌的碳納米管纖維材料構建出微型線狀超級電容器。在世界范圍內首次在一根碳納米管纖維上同時實現光電轉換和儲能，新研制的太陽電池最高光電轉化效率超過9%，大大提高太陽能利用效率。這對開發全纖維狀能源系統，邁出了關鍵一步。③利用金納米粒子層形成特殊三明治結構。研究者通過簡單地將金納米粒子層植入電池兩個光吸收區中，形成特殊三明治結構，能吸收更寬光譜范圍的光能，制造出高效等離子高分子串聯太陽電池。出現在連接層中間的等離子效應能同時改善上、下兩層光吸收區的工作狀態，可在薄薄的有機光電層中產生強電磁場，將光能聚集使其更多地被光吸收區捕獲，從而使串聯太陽電池的轉化率從以前的5．22%提高到6．24%，增比達20%。金納米粒子近區的增強提高了太陽電池效率，夾層結構作為開放平臺能應用于多種高分子材料，為獲得高效多層串聯太陽電池創造了機會，等離子效應對未來高分子太陽電池的開發具有極大的潛力。而科學家通過將金納米殼直接嵌入量子點吸收膜，開發出一種可顯著改善太陽能電池效能的新技術，可在近紅外光譜區將太陽能轉換效率提高35％，總體轉換效率（全光譜）由此增加11％，展示了通過調節納米粒子特性以提高太陽能電池效率的潛力，從而使量子點光伏成為替代現有太陽能電池技術的極佳候選者。④通過轉基因病毒改善碳納米管結構與性能。碳納米管容易發生團簇、導電性不均勻，降低其效果。科學家發現一種M13的轉基因病毒可用于控制碳納米管的排列，讓碳納米管變得分散、不會團簇在一起，從而避免電流因為碳納米管而發生短路，將這種病毒加入染料敏化太陽電池，發現電池能量轉化率從8％顯著提高到10．6％。加入M13病毒的太陽電池能量轉化率還能進一步提高，并且步驟很簡單，有望很快實現太陽電池產業化生產。

      （3）改善有機小分子太陽電池結構。目前有機分子的太陽電池有超過13％的能源轉化效率（50％太陽光照射下）和較長時間的穩定性。研究者通過分析有機太陽能的典型界面C60／CuPc的原子結構和電子耦合，發現界面處不同的分子排列方式（水平或垂直）對太陽光吸收性能影響不大，但對于電子能級排布卻有重要作用。其中水平排列的C601CuPc界面兩層的分子能級更為接近，比垂直排列界面提供高出0．3V左右的電壓∞3I。這對于提高太陽能轉化效率有著重要影響。研究者通過使用納米結構的金屬和塑料“三明治”新結構的有機太陽電池來抑制反射和捕獲光線，新電池的頂層取代以往的銦一錫-氧化物材料，使用極精細金屬網，金屬厚度為30nm，網孑L直徑為175 nm，間隔為25 nm，都小于所收集的光的波長。這些次波長結構使其能夠創建出一個光吸收率高達96％的光陷阱，陽光直射時光電轉換效率提高52％；捕捉斜射光線，新結構可額外提升81％的效率，從而使最終的效率增長達到175％。這項廉價的柔性塑料裝置技術也應能提高傳統的無機太陽能集熱器，如標準的硅太陽能電池板的效率，從而或將成為太陽能發電的未來。