美國(guó)麻省理工學(xué)院:成功開發(fā)一款超輕太陽能電池
近年來, 有機(jī)半導(dǎo)體材料與器件領(lǐng)域的研究和開發(fā)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展,其中有機(jī)電致發(fā)光二極管、有機(jī)薄膜晶體管、有機(jī)太陽能電池、有機(jī)存儲(chǔ)器、有機(jī)傳感器、有機(jī)激光器等相關(guān)有機(jī)半導(dǎo)體材料與器件的研究取得了豐碩的成果。隨著有機(jī)半導(dǎo)體材料與器件研究和開發(fā)的深入, 研究人員越發(fā)清楚地認(rèn)識(shí)到, 有機(jī)半導(dǎo)體中載流子的傳輸能力是影響有機(jī)半導(dǎo)體器件性能的一個(gè)至關(guān)重要的因素。衡量有機(jī)半導(dǎo)體材料載流子傳輸能力的主要參數(shù)是載流子遷移率u, 它直接反映了載流子在電場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)能力, 因此載流子遷移率的測(cè)量是有機(jī)半導(dǎo)體材料與器件研究中的重要內(nèi)容。
我公司推出有機(jī)太陽能電池OPV、鈣鈦礦太陽能電池、OLED器件和其他有機(jī)半導(dǎo)體器件載流子遷移率測(cè)量系統(tǒng),可以測(cè)量器件的載流子遷移率、載流子壽命、載流子動(dòng)力學(xué)過程、阻抗譜等,還可以對(duì)瞬態(tài)光電流譜TPC,瞬態(tài)光電壓譜TPV、調(diào)制光電流譜IMPS、瞬態(tài)光電壓譜IMVS等進(jìn)行測(cè)量分析,全面分析器件中的載流子特性和瞬態(tài)過程,為廣大科研工作者和研發(fā)機(jī)構(gòu)提供了有效的測(cè)試工具。
太陽能電池,是一種利用太陽光直接發(fā)電的光電半導(dǎo)體薄片,又稱為“太陽能芯片”或“光電池”,它只要被滿足一定照度條件的光照度,瞬間就可輸出電壓及在有回路的情況下產(chǎn)生電流。在物理學(xué)上稱為太陽能光伏(Photovoltaic,縮寫為PV),簡(jiǎn)稱光伏。太陽能電池是通過光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。以光伏效應(yīng)工作的晶硅太陽能電池為主流,而以光化學(xué)效應(yīng)工作的薄膜電池實(shí)施太陽能電池則還處于萌芽階段。
太陽能電池是通過光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。以光電效應(yīng)工作的晶硅太陽能電池為主流,而以光化學(xué)效應(yīng)工作的薄膜電池實(shí)施太陽能電池則還處于萌芽階段。
太陽光照在半導(dǎo)體p-n結(jié)上,形成新的空穴-電子對(duì),在p-n結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)的作用下,光生空穴流向p區(qū),光生電子流向n區(qū),接通電路后就產(chǎn)生電流。這就是光電效應(yīng)太陽能電池的工作原理。
數(shù)據(jù)顯示2012年,我國(guó)太陽能電池繼續(xù)保持產(chǎn)量和性價(jià)比優(yōu)勢(shì),國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力愈益增強(qiáng)。隨著太陽能電池行業(yè)的不斷發(fā)展,內(nèi)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)也在不斷加劇,大型太陽能電池企業(yè)間并購(gòu)整合與資本運(yùn)作日趨頻繁,國(guó)內(nèi)優(yōu)秀的太陽能電池生產(chǎn)企業(yè)愈來愈重視對(duì)行業(yè)市場(chǎng)的研究,特別是對(duì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展環(huán)境和產(chǎn)品購(gòu)買者的深入研究。正因?yàn)槿绱?,一大批?guó)內(nèi)優(yōu)秀的太陽能電池品牌迅速崛起,逐漸成為太陽能電池行業(yè)中的翹楚 [1] 。
美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)工程師在最新一期《小方法》雜志上刊發(fā)論文稱,他們開發(fā)出一款超輕太陽能電池,可快速方便地將任何表面變?yōu)?a href="/tags/電源" target="_blank">電源。這款比人頭發(fā)絲還纖薄的太陽能電池黏附于一塊織物上,重量?jī)H為傳統(tǒng)太陽能電池板的百分之一,但每千克的發(fā)電量是其18倍,可集成在船帆、救災(zāi)帳篷和防水布、無人機(jī)的機(jī)翼及各種建筑物表面。
為生產(chǎn)太陽能電池,MIT有機(jī)和納米結(jié)構(gòu)電子實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)使用了電子墨水形式的納米材料。在納米潔凈室內(nèi),他們使用擠出式涂布機(jī)將納米電子材料層沉積到3微米厚的基底上,隨后使用絲網(wǎng)印刷術(shù),印制出電極并完成太陽能模塊,接著將厚度約為15微米的印刷模塊從塑料基板上剝離,形成一種超輕太陽能裝置模塊。
但這種纖薄而獨(dú)立式的太陽能模塊很難處理,且很容易撕裂,因此難以部署。為此,研究團(tuán)隊(duì)需要找到一種輕質(zhì)、柔韌的基材,將太陽能電池黏附在其上,最終他們找到了每平方米僅重13克的復(fù)合材料“大力馬”(Dyneema)。通過添加一層只有幾微米厚的固化膠,他們將太陽能組件黏附在“大力馬”上,最終形成超輕且堅(jiān)固的太陽能結(jié)構(gòu)。
測(cè)試結(jié)果顯示,獨(dú)立式太陽能電池每千克可產(chǎn)生730瓦的功率,如果將其黏附在高強(qiáng)度“大力馬”織物上,每千克約產(chǎn)生370瓦的功率,是傳統(tǒng)太陽能電池的18倍。而且,即使將該織物太陽能電池卷起、展開500多次后,仍保持90%以上的初始發(fā)電能力。這種電池生產(chǎn)方法可以擴(kuò)展,生產(chǎn)出面積更大的柔性電池。
公司的光伏產(chǎn)品太陽能電池用鍺單晶片(襯底片)主要運(yùn)用于生產(chǎn)鍺基多節(jié)太陽能電池等,鍺基多節(jié)太陽能電池具有光電轉(zhuǎn)換效率高、性能穩(wěn)定等特點(diǎn),多用于空間飛行器等領(lǐng)域;全球衛(wèi)星組網(wǎng)需求的增長(zhǎng),對(duì)空間太陽能電池需求增加,未來光伏級(jí)鍺產(chǎn)品需求有望持續(xù)增長(zhǎng);國(guó)內(nèi)外銷售占比受年度接單差異等因素影響,各年度銷售占比均存在一定的波動(dòng),截至目前,2022年光伏級(jí)鍺產(chǎn)品的國(guó)內(nèi)銷售收入占比超過75%。
隨著時(shí)代的發(fā)展以及能源的短缺,人們開始尋找不會(huì)枯竭的清潔能源。太陽能電池產(chǎn)業(yè)應(yīng)運(yùn)而生,根據(jù)其區(qū)別,人們將太陽能電池劃分為三代。
第一代太陽能電池是硅基太陽能電池,具有高穩(wěn)定性和高轉(zhuǎn)換效率,其主要包括單晶硅和多晶硅太陽能電池兩種。1954 年 4 月 25 日,貝爾實(shí)驗(yàn)室研制出第一塊硅基太陽能電池板,轉(zhuǎn)換效率為 6% ,這就是硅基太陽能產(chǎn)業(yè)的開端。第一代太陽能電池所需材料過多,成本較高。
第二代太陽能電池是以CdTe、CZTS、CIGS 和非晶硅等為代表的薄膜太陽能電池,占據(jù)了全球 10% 左右的市場(chǎng)份額,具有材料使用少、價(jià)格便宜的特點(diǎn)。
鈣鈦礦太陽能電池作為第三代太陽能電池的典型代表,是繼多晶硅太陽能電池、單晶硅太陽能電池、薄膜太陽能電池之后最具發(fā)展前景的太陽能電池,具有成本低廉和高轉(zhuǎn)換效率的特點(diǎn),但該類太陽能電池仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。