科普知识 | 太阳能电池的昨天、今天与明天
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科普知识 | 太阳能电池的昨天、今天与明天

2020-11-03

       随着石油和煤炭等化石能源的消耗,能源危机和环境污染等问题日渐突出,清洁无污染的新能源的开发也变得越来越重要了。比如说,风能、潮汐能、氢能和太阳能等。太阳能电池作为直接将光能转化为电能的重要设备,正受到广大科研工作者的广泛关注与研究,而且太阳能电池也早已实现商业化生产。

      太阳能电池,称为“太阳能芯片”或“光电池”,我们通常俗称“光伏板”或“太阳能板”,是一种通过光电效应或者光化学反应直接把光能转化成电能的装置。下面我们就来看一看太阳能电池发展历程的昨天、今天与明天。


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      1839年, 法国物理学家Becquerel发现了光生伏特效应。1873年,英国工程师Willoughby Smith在测试水下电缆电阻时,在硒中发现了光电导效应。到了1883年,美国发明家Fritts首次把一层无定形的硒放在金属片上,并用透明的金薄膜覆盖在硒上,做出了第一个太阳能电池。他报告说,这种硒阵列在阳光下产生的电流“是连续的、恒定的且相当大的”。当时还没有量子理论可以对光伏效应进行解释,人们对他提出的将阳光转化为电能的说法持怀疑态度。于是他寄了一个样品给德国的物理学家Siemens,他是当时最受尊敬的电力专家之一。Siemens的检测结果证实了弗里茨的说法。但转换成电能的效率低于 1%,并没有实际的应用价值。之后,关于光伏效应的研究又持续了几十年,但是没有什么标志性成果出现。


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     一直到1940年,太阳能电池的研究才出现了新的希望。贝尔实验室的半导体研究员Ohl发现他所研究的硅样品上有一条裂痕。他注意到,当这个有裂痕的硅样品暴露在阳光下时,会产生电流。实际上,这是他不经意间制造了一个p-n结,这是硅太阳能电池的基础。Ohl随后将他制备出的大约有1%效率的太阳能电池申请了专利。


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     但是,真正实用的太阳能电池是又过了14年才出现。1953年,贝尔实验室的工程师Daryl Chapin尝试发展新电源以解决偏远潮湿地区电话系统里干电池电力消失过快的问题,他认为太阳能是有希望的能源。与物理学家朋友Pearson、化学家Fuller共同努力之下,制备出了效率达6%的硅太阳能电池,并在1954年4月25日在美国新泽西州联名宣布了这项研究成果。从此,太阳能电池进入了应用时代,并且4年之后,也就是1958年,先锋1号作为第一个装备了太阳能电池的人造卫星发射升空。


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     目前,太阳能技术发展大致为三个阶段:第一代太阳能电池主要指单晶硅和多晶硅太阳能电池,其在实验室的光电转换效率已经分别达到25%和20.4%;第二代太阳能电池主要包括非晶硅薄膜电池和多晶硅薄膜电池;第三代太阳能电池主要指具有高转换效率的一些新概念电池, 如染料敏化电池、量子点电池以及有机太阳能电池、钙钛矿型太阳能电池等。


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     然而,太阳能电池已经存在了60多年,但是商业硅还几乎没有勉强进入25%的范围,最大限度地达到了理论上的30%。为了满足世界快速增长的能源需求,实现有助于减缓气候变化影响的去碳化目标,实际上需要数百年时间才能建造和安装足够的硅光伏电池板。显然,这是太慢了,我们的目的是不可行,因为我们只有10年的时间采取行动,以避免不可逆转和灾难性的气候变化。多年来,科学家们一直在试验替代晶体结构,这些新型结构可以让类似尺寸的面板捕捉更多的能量,这也就是全球科学家正在全力攻关的第三代太阳能电池。

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      其中,钙钛矿型太阳能电池(perovskite solar cells)是第三代太阳能电池里面的佼佼者,它是利用钙钛矿型的有机金属卤化物半导体作为吸光材料的太阳能电池。钙钛矿作为一种人工合成材料,迄今为止已被证明是最有前途的,现在已经成功打破了玻璃天花板的效率。钙钛矿是以俄罗斯地质学家Leo Perovsky命名的晶体家族。它们具有一组特性,使它们成为太阳能电池的潜在组成部分:高超导性、磁阻和铁电。钙钛矿薄膜光伏电池板可以吸收来自更广泛波长的光,从相同的太阳强度产生更多的电能。

      钙钛矿在 2009 年首次被尝试应用于光伏发电领域后,因为性能优异、成本低廉、商业价值巨大,从此大放异彩。近年,全球顶尖科研机构和大型跨国公司,如牛津大学、瑞士洛桑联邦理工学院、日本松下、夏普、东芝等都投入了大量人力物力,力争早日实现量产。



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     2012年,科学家们终于成功制造出薄膜钙钛矿太阳能电池,效率超过10%。但从那时起,新型钙钛矿电池设计的效率突飞猛进:2017 年 2月,中国企业以 15.2%的转换效率,首次打破此前长期由日本保持的钙钛矿小组件的世界效率纪录。此后,分别在当年 5 月和 12 月,以 16%和 17.4%的转换效率实现了一年三破世界纪录的佳绩。2018年12月,牛津大学实验室的实验效率达到了28%,再一次刷新了钙钛矿太阳能电池的转换效率纪录。

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      而最近,美国能源部最大的科学和能源实验室橡树岭国家实验室(简称ORNL)宣布发现新型热载体钙钛矿太阳能电池,其转换效率可接近梦幻的66%。根据ORNL的说法,“这一发现可以改进新型的热载体太阳能电池,这种电池比传统太阳能电池更有效地将阳光转化为电能,在它们失去能量转化为热能之前,利用光生电荷载体。”目前还没有关于该产品价格点或何时上市的消息。尽管如此,ORNL表示,它已经接近商业化的现实,并且在不久的将来可以应用于其他现实世界的应用。

      这个时机似乎也很完美,因为未来几十年,太阳可能将主导全球电力领域。国际能源署(IEA)在年度《世界能源展望》(World Energy Outlook)中表示,在其核心情景下(反映出已宣布的政策意图和目标情况下),到2025年,可再生能源有望取代煤炭,成为主要的发电方式。报告称,到2030年,太阳能和风能在全球发电总份额中的比重将从2019年的8%上升到30%左右,太阳能将以平均每年12%的速度增长。“我认为太阳能将成为全球电力市场的新霸主,”IEA执行干事Fatih Birol表示,“根据目前的政策设定,2022年以后每年的太阳能部署都将创下新的记录。”


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     从太阳能照明行业角度来看,短期内,由于技术瓶颈,市场还未全面开花。但作为光伏应用的一个重要分支,相信随着未来如钙钛矿太阳能电池等产品的光电转化效率的大幅提升,以及政府、组织、企业、民众环保意识进一步增强和对太阳能应用的接受度与认可度的进一步提高,未来太阳能照明市场将无可限量,必将迎来爆炸式增长。

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