國外太陽電池技術(shù)研發(fā)動態(tài)

本刊 劉春娜

2011年以來，作為可再生能源代表之一的太陽電池，新技術(shù)研發(fā)層出不窮。尤其自日本福島核電站事故發(fā)生以后，與太陽電池新技術(shù)開發(fā)相關(guān)的報道日益增多。太陽電池產(chǎn)業(yè)迎來了新的發(fā)展機遇，世界各國對太陽電池的發(fā)展更加重視。

1 日本

在核電站事故之后，日本各方加速了對太陽電池的研發(fā)。

東京大學(xué)與夏普在2011年4月利用計算機解析找到了實現(xiàn)轉(zhuǎn)換效率在75%以上量子點太陽電池的方法。如果在半導(dǎo)體的結(jié)晶上形成幾nm至20 nm的微細(xì)構(gòu)造，便會具備封閉電子的性質(zhì)。這一構(gòu)造被稱為量子點。利用量子點的尺寸，可以改變電子吸收的光線的波長。研究人員使多層鋪滿量子點的面重疊，構(gòu)成厚度為10 μm的電池。通過優(yōu)化量子點的配置等，使紅外線也轉(zhuǎn)化為電力，實現(xiàn)較高的轉(zhuǎn)換效率。據(jù)2011年6月的媒體報道，東京大學(xué)的研發(fā)小組還開發(fā)出了易于吸收波長在700 nm以上光線的色素，通過讓利用現(xiàn)有色素的電池和利用新色素制成的電池重疊，得到了11.3%的轉(zhuǎn)換效率。

京都大學(xué)的研究小組2011年5月通過在有機薄膜太陽電池上增加多個色素，成功擴大了可用光線范圍的研究成果。通過增加可吸收紅外線和紫外線的色素，可將紅外線、可見光乃至紫外線等較廣光譜范圍的光轉(zhuǎn)化為電力。作為有機半導(dǎo)體，研究者使用了塑料，以前只能利用可見光。

三菱化學(xué)于2011年6月成功將有機薄膜太陽電池(OPV)的光電轉(zhuǎn)換效率提升至全球最高的10%以上水準(zhǔn)，之后計劃于2015年將其轉(zhuǎn)換效率進一步提升至15%。公司力爭2015年在太陽電池相關(guān)業(yè)務(wù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)200億日元的銷售額。報道指出，以模組轉(zhuǎn)換率來看，三菱化學(xué)的OPV轉(zhuǎn)換率達6%～7%。三菱化學(xué)將與汽車廠商共同研發(fā)的此種太陽電池，由于無需使用玻璃基板，厚度僅數(shù)百nm，質(zhì)量也僅為結(jié)晶硅太陽電池的十分之一。三菱化學(xué)計劃在2012年夏季量產(chǎn)，如果量產(chǎn)取得進展，制造成本也能降到原有產(chǎn)品的十分之一。另據(jù)2011年7月19日的《朝日新聞》報道說，三菱化學(xué)在有機薄膜太陽電池的p型半導(dǎo)體中采用了苯卟啉(Benzoporphyrin)、n型半導(dǎo)體中采用了富勒烯(C60)衍生物，由此提高了轉(zhuǎn)換效率。這一新技術(shù)的原理是，把有機半導(dǎo)體溶解在溶劑中，涂布到汽車(指電動車與插電式油電混合車)車身、建筑物外墻與其他地方，然后使其干燥，便可作為太陽電池使用，當(dāng)然也可進行印刷。

日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所 (產(chǎn)綜研)利用CIGS(Cu-In-Ga-Se)太陽電池的量產(chǎn)型子模塊，實現(xiàn)了15.9%的光電轉(zhuǎn)換效率。此次開發(fā)出了可大面積均勻制造高質(zhì)量CIGS光吸收層薄膜的技術(shù)和利用光吸收層特性的集成化技術(shù)。CIGS型太陽電池是在玻璃底板上形成由各種材料組成的多層膜制作而成。只要小面積單元能夠?qū)崿F(xiàn)18%～19%左右的轉(zhuǎn)換效率，集成型模塊就應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)15%以上的轉(zhuǎn)換效率。作為CIGS光吸收層的制膜方法，產(chǎn)綜研采用了多元蒸鍍法。通過加熱銅(Cu)銦(In)鎵(Ga)硒(Se)坩鍋來制成薄膜，可制成缺陷少且結(jié)晶粒徑大的CIGS薄膜。此次產(chǎn)綜研改進了坩鍋形狀和對底板加熱的結(jié)構(gòu)。另外，還采用了可根據(jù)時間改變照射元素及溫度的3步蒸鍍法。采用3步蒸鍍法制造的光吸收層可實現(xiàn)較高的轉(zhuǎn)換效率。該所已驗證能夠在10 cm2的底板上均勻制膜，因此可證明3步蒸鍍法還可應(yīng)用于大面積模塊的量產(chǎn)。集成型模塊需要有制圖制程 (在同一底板上形成串聯(lián)的多個單元而制成模塊)，不過制圖制程會造成整個面積的5%～10%變成無法作為太陽電池工作的死角。此次，通過控制制圖用激光的強度及硬質(zhì)材料針的針壓，使其能夠制成準(zhǔn)確的圖案。此外，產(chǎn)綜研還開發(fā)出可取代稀有金屬的白金，作為染料敏化太陽電池電極用的新材料，其光電轉(zhuǎn)換效率和白金幾乎等同，既能節(jié)省資源又能降低成本。新材料由多層納米碳管、離子液體及導(dǎo)電性高分子所組成，其構(gòu)造為：納米管外側(cè)附著被稱為Imidazole系離子液體的分子，更外側(cè)則包覆導(dǎo)電性高分子。用此材料替代白金所制成的染料敏化太陽電池，轉(zhuǎn)換效率達4.77%，發(fā)揮了與白金電極的4.94%幾乎同等級的高性能。

2 美國

美國在太陽電池方面的研究一直處于領(lǐng)先地位。

由美國可再生能源實驗室(NREL)與Amonix能源公司共同開發(fā)的Amonix 7700高效低成本太陽電池問世。Amonix 7700聚光太陽電池使用了復(fù)雜的三重連接技術(shù)，依賴的電池是嫁電池。一直以來，嫁電池因其穩(wěn)健性成為了太空探索中不可缺少的條件。嫁電池的使用讓新系統(tǒng)基本可以對高溫免疫。Amonix 7700系統(tǒng)要用到36套透鏡和接收板，接收板被置于一個雙軸的、可跟蹤陽光的支架上，這樣的精心設(shè)計可以進一步提高系統(tǒng)的發(fā)電效率。實驗室公布的數(shù)據(jù)顯示，Amonix 7700系統(tǒng)最高的實驗室發(fā)電效率達到了42%。為控制系統(tǒng)成本，Amonix 7700使用的是低成本的菲涅爾透鏡。陽光在經(jīng)過菲涅爾透鏡后，強度增加到了一般陽光的500倍。嫁電池將轉(zhuǎn)換如此強度太陽電池的效率在26%左右，相當(dāng)于目前已實地應(yīng)用的太陽電池平均轉(zhuǎn)換效率的2倍。由于使用了凸透鏡，它是世界上土地密集型程度最低的太陽能利用形式，占地面積比其他太陽電池都小。據(jù)稱，系統(tǒng)的整體安裝成本只有非晶硅和薄膜太陽電池安裝成本的1/3～1/2。新系統(tǒng)的優(yōu)勢還在于：它將安裝太陽電池對土地的破壞性降到了最低。同時，由于所有的電池板都置于一根可追蹤陽光的支架上，也不必人為地經(jīng)常調(diào)整電池的角度。而每塊大的太陽電池板都是由很多小型接收板組成，這也讓系統(tǒng)更易于運輸，大大簡化了物流。

美國密蘇里科技大學(xué)的研究人員表示，將一種ZnO制成的納米矛(Nanospears)釘在太陽電池表面，可擴展其吸收光譜并因此提高太陽電池的效率。由于該種混合材料既能吸收光線也能發(fā)光，研究人員表示其應(yīng)用范圍可望涵蓋超紫外光雷射、廣譜固態(tài)照明，以及新式的壓電元件等。ZnO能吸收接近超紫外光光譜的光線，這能與吸收近紅外線光譜的硅互補；若以上這兩部分光譜都能被利用，就可能實現(xiàn)更高的太陽電池效率。專家表示，過去在硅晶上生長氧化鋅的嘗試，都僅獲得有限的成功，主要是因為這兩種材料的晶格并不協(xié)調(diào)；而研究人員將氧化鋅的晶格軸心傾斜，就解決了以上問題，并使氧化鋅能與硅精準(zhǔn)匹配。由于氧化鋅是以一個不尋常的角度長在硅上，就像是釘在硅晶表面的納米矛那樣，使太陽電池可吸收較長的超紫外光波長，也能吸收較短的紅外線波長。該種氧化鋅納米矛的長晶法，是利用一種飽和了鋅離子的堿性溶液淹沒硅晶圓表面，所長出的納米矛直徑約100～200 nm，長度約1 μm；透過一種自動排列制程，這些納米矛會以精準(zhǔn)的角度在結(jié)晶硅表面自組裝，將晶格不匹配的狀況降到最低。該研究團隊的下一步是制作出太陽電池：困難之處在于制作與氧化鋅納米矛接觸的觸點；其中一個方案是使用溶液觸點制作光電化學(xué)太陽電池。

美國橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National Laboratory)的研究小組已經(jīng)開發(fā)出以3D納米錐基太陽電池平臺，聲稱可以改善電荷傳輸機制從而提高太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率約達80%。該技術(shù)可以解決降低太陽電池效率的電荷捕獲問題。這些電荷——包括帶負(fù)電的電子和帶正電的空穴——通常成為體材料及其界面中的缺陷，并因此降低了性能。這種新的太陽能結(jié)構(gòu)包括由p型半導(dǎo)體環(huán)繞的n型納米錐。其中，n型納米錐由氧化鋅構(gòu)成，并作為整個結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電結(jié)和電子導(dǎo)體；p區(qū)由多晶碲化鎘構(gòu)成并作為主要的光吸收介質(zhì)和空穴導(dǎo)體。使用該實驗室的方法，研究人員可以獲得3.2%的光電轉(zhuǎn)換效率，相比之下使用相同材料的傳統(tǒng)平面結(jié)構(gòu)電池轉(zhuǎn)換效率只有1.8%。這種太陽能材料的主要特點包括：獨特的電場分布(這一特點實現(xiàn)了高效的電荷傳輸)，利用低成本方法合成納米錐，以及減少了半導(dǎo)體中的缺陷和空位。由于高效的電荷傳輸機制，這種新的太陽電池可以接受有缺陷的半導(dǎo)體材料并減少下一代太陽電池的制造成本。納米錐結(jié)構(gòu)在結(jié)(Junction)尖端產(chǎn)生一個強電場區(qū)域，可以有效分離、注入和收集少數(shù)載流子，從而比使用相同材料的傳統(tǒng)平面結(jié)構(gòu)電池更高效。這一技術(shù)的理論研究已經(jīng)得到了光伏專家的認(rèn)可。

美國麻省理工學(xué)院(MIT)的研究人員表示，活體病毒可用于將高導(dǎo)電性碳納米管安裝到染料敏化太陽電池的正極結(jié)構(gòu)中，電池效率可因此提高幾乎三分之一。染料敏化太陽電池是由位于光敏正極與電解質(zhì)之間的半導(dǎo)體元件材料制成的，覆蓋著染料的納米二氧化鈦會吸收太陽光，并將電子釋放到正極中。然后那些電子會被收集起來用以驅(qū)動負(fù)載，再經(jīng)由負(fù)極回到電解質(zhì)中，如此不斷循環(huán)。MIT研究人員表示，通過病毒使碳納米管和正極交織在一起，就能將染料敏化太陽電池的轉(zhuǎn)換效率由8%以下，提高到10.6%以上。該團隊的最新研究成果則是首次利用病毒來分離出太陽電池內(nèi)的納米管，以避免納米管凝集成團或?qū)е露搪?。每個病毒可以在約300個肽分子的一個區(qū)域內(nèi)，吸附10個納米管，然后這種經(jīng)過基因工程改造的病毒會分泌出二氧化鈦涂層。研究人員表示，MIT所研發(fā)的這項新技術(shù)，只需在染料敏化太陽電池的工藝中添加一個簡單的步驟，也能適用其他類型的有機與量子點技術(shù)太陽電池。

3 德國

德國作為西方發(fā)達工業(yè)國家中第一個準(zhǔn)備放棄核電的國家，其太陽電池技術(shù)的研發(fā)屢創(chuàng)新紀(jì)錄。

德國Q-CellsSE光伏公司今年第四次創(chuàng)下了世界紀(jì)錄。Q-Cells內(nèi)部研究中心的多晶硅組件孔徑面積效率達到了18.1%，打破了于2011年3月其自身創(chuàng)下的17.8%的世界紀(jì)錄。這一結(jié)果通過FraunhoferISE太陽能研究所得到了證實。Q-Cells多晶硅組件是該領(lǐng)域第一塊效率超過了18%的組件。Q.SMART薄膜組件還創(chuàng)造了另一個標(biāo)志性的世界紀(jì)錄，孔徑面積獨立效率達14.7%。

德國微系統(tǒng)技術(shù)研究所 (IMTEK)和弗萊堡大學(xué)材料研究中心(FMF)的科學(xué)家成功開發(fā)出的一種納米粒子表面處理方法，可顯著提高有機太陽電池效率，達到2%的效率高點。此前這一效率值僅為1%至1.8%。這也是迄今為止效率最高的混合太陽電池。有機太陽電池與普通硅太陽電池相比，輕薄靈活、成本低廉、可快速生產(chǎn)。盡管其光轉(zhuǎn)化效率不高，使用壽命偏短，但其在應(yīng)用集成和向有作用時限的系統(tǒng)提供自給能源方面，有著廣泛應(yīng)用前景。純有機太陽電池，其光活性層的兩個組件都由有機物質(zhì)組成。而混合太陽電池光活性層由無機納米粒子和(有機)聚合物混合而成。通過使用所謂的硒化鎘量子點，IMTEK和FMF的測量結(jié)果得到了FraunhoferISE太陽能研究所“染料和有機太陽電池”工作組的確認(rèn)。

德國AVANCIS GmbH&Co.KG宣布，其30 cm2CIS太陽電池模塊轉(zhuǎn)換效率達到了15.5%。據(jù)該公司介紹，這一轉(zhuǎn)換效率值已得到美國國家可再生能源實驗室 (NREL)的認(rèn)定。AVANCIS曾于2010年1月宣布同一尺寸的模塊達到了15.1%的轉(zhuǎn)換效率。此次之所以能夠提高性能，主要是因為模塊正面的電極采用了導(dǎo)電性較高的ZnO。AVANCIS公司目前正以年產(chǎn)20 MW的規(guī)模生產(chǎn)轉(zhuǎn)換效率為12%的太陽電池面板。

德國斯圖加特“太陽能-氫氣研究中心”的研究人員發(fā)明了一種由銅、銦、鎵和硒醚制成的高效率太陽電池 (簡稱CIS-電池或者CIGS-電池)。這種電池具有20.1%的太陽能-電能轉(zhuǎn)換效率，是目前世界上轉(zhuǎn)化效率最高的薄層太陽電池。這款電池表面積只有0.5 cm2，厚度只有0.004 mm，由4個將太陽光轉(zhuǎn)化為電能的光敏層組成。斯圖加特的研究人員利用一種有效的涂層技術(shù)使薄層太陽電池的能量轉(zhuǎn)換率達到創(chuàng)紀(jì)錄的水平，為這種電池的規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)提供了可能。借助于這種薄層太陽電池的高效轉(zhuǎn)化率，光伏發(fā)電裝置的產(chǎn)量和利潤率將得到明顯提高。目前市場上比較常見的CIS-半集成電路的能量轉(zhuǎn)化率和晶體硅半集成電路差不多，都在10%～12%。斯圖加特的研究人員表示，未來幾年，CIGS-太陽能裝置的能量轉(zhuǎn)化率將提高到15%左右。