染料敏化太陽能電池技術(shù)的介紹

人們普遍認(rèn)為，太陽能電池可以大致分為三個(gè)技術(shù)“代”之一。第一代電池是結(jié)晶的。第二代電池是硅和其他材料的非晶薄膜，旨在降低通常與傳統(tǒng)半導(dǎo)體晶片生產(chǎn)相關(guān)的成本。但是，第三代技術(shù)的定義不太清楚，“第三代”的名稱通常僅限于所謂的新興技術(shù)。該組有時(shí)被描述為包括能夠克服單個(gè)結(jié)器件的Shockley-Queisser功率轉(zhuǎn)換效率極限（33.7％）的任何技術(shù)。大多數(shù)技術(shù)人員還將包括廣泛的其他轉(zhuǎn)換設(shè)備，包括非半導(dǎo)體，如聚合物和染料敏化電池，由傳統(tǒng)材料堆疊（如非晶硅或砷化鎵）和納米技術(shù)構(gòu)建的串聯(lián)電池。

現(xiàn)在讓我們來看看仔細(xì)研究一下“第三代太陽能電池”成員的候選人。

染料敏化太陽能電池（DSC或DSSC）源自光合作用研究（圖1）。在20世紀(jì)60年代后期，在研究從植物中提取的葉綠素時(shí)，伯克利的研究人員意識(shí)到有機(jī)染料可以在電化學(xué)電池的氧化物電極上產(chǎn)生電能。增加電荷收集的表面積被認(rèn)為是提高電池效率的途徑。最終，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的一個(gè)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)二氧化鈦（Ti2O）是理想的陽極材料。這種基本的電池設(shè)計(jì)現(xiàn)在是大多數(shù)DSSC研究的基礎(chǔ)，并且在其發(fā)明者之后被稱為Gr?tzell電池。

圖1：染料敏化太陽能電池示意圖（由SPIE提供）。

DSSC可以通過改性有機(jī)染料來適應(yīng)服務(wù)中預(yù)期的光照條件。這些常見的化學(xué)物質(zhì)已被很好地理解，其發(fā)展可追溯到紡織工業(yè)的早期階段。 DSSC的第二個(gè)主要成分是TiO2。這種材料也很豐富，因?yàn)樗窃S多應(yīng)用的首選白色顏料，從油漆到紙張，甚至是牙膏。極端白色是由于高折射率導(dǎo)致使用TiO2作為光學(xué)涂層材料以及許多防曬乳液中的封閉劑。

由于TiO2作為一種廣泛可用，易于生產(chǎn)，價(jià)格低廉且特性良好的材料，染料敏化太陽能電池作為第三代電池研究的目標(biāo)已經(jīng)變得非常流行。

TiO2天然形成非常多孔的層，導(dǎo)致陽極表面積高，從而提高電池效率。但是對(duì)這種材料的更有針對(duì)性的研究已經(jīng)導(dǎo)致更高的表面積層。納米技術(shù)研究人員已經(jīng)開發(fā)出TiO2加工技術(shù)，以創(chuàng)造出許多不同的納米結(jié)構(gòu)材料。 TiO2在納米管和納米線形式中相對(duì)容易生產(chǎn)，非常適合于最大化DSSC器件的效率。

許多新興電池類型與傳統(tǒng)硅光電池相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)，特別是在建筑集成光伏（BIPV）應(yīng)用和基板靈活性非常重要的應(yīng)用中。但是，仍有一些問題需要解決。例如，與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手相比，DSC電池往往具有較短的壽命和其他可靠性問題。雖然DSSC在第三代技術(shù)方面處于領(lǐng)先地位，其頂級(jí)電池效率超過11％，但將其推向商業(yè)化的有用范圍，自20世紀(jì)90年代末以來進(jìn)展相對(duì)平穩(wěn)。幸運(yùn)的是，最近出現(xiàn)了其他納米結(jié)構(gòu)器件，并且其短壽命顯示出非常快速的改善（圖2）。

圖2：技術(shù)和年份太陽能電池效率的趨勢(shì)（由NREL提供）。

納米結(jié)構(gòu)的效用不僅限于它們?yōu)槿玖厦艋柲茈姵靥峁┑挠行娣e改進(jìn)。粒子的大小實(shí)際上可用于設(shè)計(jì)材料的屬性。由于電荷載體是物理限制的，因此可以嚴(yán)格控制它們的相互作用以影響材料的整體性質(zhì)。量子點(diǎn)是這些納米結(jié)構(gòu)的一類，其允許材料的極小島的尺寸被用作器件性質(zhì)的設(shè)計(jì)參數(shù)。多年來一直參與量子點(diǎn)研究的學(xué)術(shù)團(tuán)體位于多倫多大學(xué)。由Ted Sargent教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)一直在為許多應(yīng)用開發(fā)量子點(diǎn)技術(shù)。 Sargent集團(tuán)最近通過設(shè)定量子點(diǎn)太陽能電池的效率記錄，在光伏器件方面取得了突破。

Sargent Group的研究重點(diǎn)是膠體量子點(diǎn)（CQD）光伏技術(shù)。在他們的CQD技術(shù)中，硫化鉛（PbS）納米顆粒懸浮在載液中。將膠體懸浮液施加到基材上是通過旋涂或噴涂。因此，CQD光伏通常被稱為“太陽能涂料”。

即使是薄膜光伏技術(shù)的后沿，Sargent團(tuán)隊(duì)還有很長(zhǎng)的路要走。但是他們的設(shè)備非常接近。自從達(dá)到5.1％的效率記錄以來，持續(xù)改進(jìn)可能是為了使“太陽能涂料”可以服務(wù)的市場(chǎng)具有競(jìng)爭(zhēng)力所必需的。例如，可以涂覆多個(gè)層，每個(gè)粒度適合于給定波長(zhǎng)，以獲得更多的陽光中包含的能譜。即使對(duì)于太陽能涂料，似乎許多薄涂層比一層厚涂層更好。量子點(diǎn)光伏的商業(yè)化可能不依賴于未來的革命性發(fā)現(xiàn)，但如果確實(shí)出現(xiàn)這種情況，那么太陽能涂料可能會(huì)開始取代主導(dǎo)當(dāng)前市場(chǎng)的晶體器件。

硅光伏生命在其中留下了生命

盡管新興的太陽能收集技術(shù)有很大的前景，但許多傳統(tǒng)技術(shù)在未來幾年仍將繼續(xù)保持市場(chǎng)可行性?？紤]非晶硅可能的面板形狀因數(shù)范圍。用于AM-1456CA的Sanyo薄膜器件為10 mm×25 mm，AM-5902CAR為30 mm×37.5 mm，而實(shí)用規(guī)模的面板則由儀表測(cè)量并由同一批量生產(chǎn)設(shè)備驅(qū)動(dòng)。大型平板電視的普及。

晶體硅器件也是多種多樣的。 IXYS的Ixolar系列（圖3）提供22％的電池效率，具有多種模塊配置，例如較大的SLMD481H12 78 mm×90 mm，具有全功率峰值輸出功率。

圖3：Ixolar SLMD481H12太陽能電池（由IXYS提供）。

不要等待

1954年，貝爾實(shí)驗(yàn)室開創(chuàng)了第一個(gè)太陽能電池，使用價(jià)值12，000美元的這些設(shè)備來運(yùn)行普通的家用烤面包機(jī)?，F(xiàn)在，經(jīng)過幾十年的研究和進(jìn)步，只能被描述為“不到摩爾定律的步伐”，我們似乎終于處于實(shí)現(xiàn)第三代光伏技術(shù)的邊緣，以捕捉太陽的無限能量。因此，涉及能量收集的設(shè)計(jì)工程師或采購(gòu)經(jīng)理必須考慮的問題是：我是否應(yīng)該推遲等待下一代太陽能電池的購(gòu)買決策？總之，答案是否定的。盡管在本十年結(jié)束之前很有可能取得重大突破，但在第三代太陽能電池離開實(shí)驗(yàn)室并進(jìn)入一天工作世界之前還有很多工作要做。在此期間，您可以找到適合您能量收集設(shè)計(jì)需求的精選當(dāng)前產(chǎn)品。