2013年太阳能光伏发电的应用研究

      基础研究与材料研究都是为太阳能光伏发电利用技术的应用打下了良好基础。

      1改变微观结构

      太阳电池的内部结构决定其光电转化效率。主要进展包括：

      （1）利用硅柱“森林”改变结构。研究者为改变普通硅薄膜太阳电池无法吸收波长比其薄膜厚度更大的光子，在薄膜太阳电池中硅的表面蚀刻出很多纳米尺寸的像森林中树木的硅柱，当光线射入硅柱组成的“森林”后，光线就会在“森林”的底部以及“树木”问不断进行反射，无法轻易“脱身”。每一次反射都会增加吸收光子的机会。而每个纳米支柱的上半部分还可通过添加掺杂剂的方式制成电极。通过电脑模拟，已确定该薄膜太阳电池的最佳外形和性能。

      相关市场调研报告请见中企顾问网发布的《2013-2018年中国太阳能光伏发电市场专项调研及未来前景研究报告》

      （2）利用纳米材料改变结构。①利用纳米和光纤技术相结合，形成独特的三维主体结构，包括光纤和垂直生长于光纤表面的氧化锌（ZnO）纳米线阵列的DSCs，入射光在每一次反射中通过ZnO纳米线与其表面附着的染料相互作用，并在光纤内传播过程中多次反射，增加入射光子与纳米线表面染料相互作用的次数，大大提高对光线的吸收及光电子的输运效率，从而提高其光电转换效率，相对于光线照射在光纤侧壁，光线沿轴向传播将DSCs的能量转换效率提高6倍心8|。在AM 1．5照明水平（100 mW／cm2））光照下，基于ZnO纳米线的三维DSCs的光电转换效率达到3．3%。这比同类型二维DSCs的最高效率高120%，比TiO，薄膜涂层的ZnO纳米线的染料太阳电池效率高47%。该成果开辟了设计使用光纤和有机、无机材料混合结构的三维高效多功能太阳电池的崭新方法和思路。②利用很轻、很强韧的碳纳米管纤维材料构建出微型线状超级电容器。在世界范围内首次在一根碳纳米管纤维上同时实现光电转换和储能，新研制的太阳电池最高光电转化效率超过9%，大大提高太阳能利用效率。这对开发全纤维状能源系统，迈出了关键一步。③利用金纳米粒子层形成特殊三明治结构。研究者通过简单地将金纳米粒子层植入电池两个光吸收区中，形成特殊三明治结构，能吸收更宽光谱范围的光能，制造出高效等离子高分子串联太阳电池。出现在连接层中间的等离子效应能同时改善上、下两层光吸收区的工作状态，可在薄薄的有机光电层中产生强电磁场，将光能聚集使其更多地被光吸收区捕获，从而使串联太阳电池的转化率从以前的5．22%提高到6．24%，增比达20%。金纳米粒子近区的增强提高了太阳电池效率，夹层结构作为开放平台能应用于多种高分子材料，为获得高效多层串联太阳电池创造了机会，等离子效应对未来高分子太阳电池的开发具有极大的潜力。而科学家通过将金纳米壳直接嵌入量子点吸收膜，开发出一种可显著改善太阳能电池效能的新技术，可在近红外光谱区将太阳能转换效率提高35％，总体转换效率（全光谱）由此增加11％，展示了通过调节纳米粒子特性以提高太阳能电池效率的潜力，从而使量子点光伏成为替代现有太阳能电池技术的极佳候选者。④通过转基因病毒改善碳纳米管结构与性能。碳纳米管容易发生团簇、导电性不均匀，降低其效果。科学家发现一种M13的转基因病毒可用于控制碳纳米管的排列，让碳纳米管变得分散、不会团簇在一起，从而避免电流因为碳纳米管而发生短路，将这种病毒加入染料敏化太阳电池，发现电池能量转化率从8％显著提高到10．6％。加入M13病毒的太阳电池能量转化率还能进一步提高，并且步骤很简单，有望很快实现太阳电池产业化生产。

      （3）改善有机小分子太阳电池结构。目前有机分子的太阳电池有超过13％的能源转化效率（50％太阳光照射下）和较长时间的稳定性。研究者通过分析有机太阳能的典型界面C60／CuPc的原子结构和电子耦合，发现界面处不同的分子排列方式（水平或垂直）对太阳光吸收性能影响不大，但对于电子能级排布却有重要作用。其中水平排列的C601CuPc界面两层的分子能级更为接近，比垂直排列界面提供高出0．3V左右的电压∞3I。这对于提高太阳能转化效率有着重要影响。研究者通过使用纳米结构的金属和塑料“三明治”新结构的有机太阳电池来抑制反射和捕获光线，新电池的顶层取代以往的铟一锡-氧化物材料，使用极精细金属网，金属厚度为30nm，网孑L直径为175 nm，间隔为25 nm，都小于所收集的光的波长。这些次波长结构使其能够创建出一个光吸收率高达96％的光陷阱，阳光直射时光电转换效率提高52％；捕捉斜射光线，新结构可额外提升81％的效率，从而使最终的效率增长达到175％。这项廉价的柔性塑料装置技术也应能提高传统的无机太阳能集热器，如标准的硅太阳能电池板的效率，从而或将成为太阳能发电的未来。