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【烧脑】技术预测:太阳能光伏电池的未来

发布时间:2015-12-15 00:13:00

通过对比分析可知,当以2009年为共被引网络研究的截止日期时,在排名前15的关键节点中没有一个与聚合物太阳能电池的可靠性相关;而以2014年为共被引网络研究的截止日期时,该研究方向的关键节点已蹿升至第4位。这表明该领域的大量研究成果出现在2009年以后,是近5年来太阳能电池领域的重要研究方向,如图2所示。

  2、潜在技术探测

为进一步展现当前太阳能电池领域关键技术研究的主要类别,并通过聚类结果判断不同代际技术所处的生命周期,进而实现对技术的预测,我们利用Cite Space可视化软件的谱聚类分析功能,共现网络形成13个大小聚类。按照聚类大小和研究的相关度,结合TF*IDF算法抽取的标识词,整理出主要研究热点方向,包括9项研究热点领域及其基本的研究主题,如图3所示。

通过关键技术识别和聚类结果,可以发现不同代际的太阳能电池处于不同的技术生命周期阶段,其中以晶体硅为基础的第一代太阳能电池早已实现产业化,其生产技术成熟,但限于资源及光电转换效率,这些产品面临淘汰,处于技术生命周期的衰落期;以薄膜材料为主的第二代太阳能电池技术基本成熟,然而其制造难度大、成本高,其产业化进程受到很大限制,处于迈入技术成熟期的前端,如果能够在降低成本提高产量方面有所突破,第二代太阳能电池有望迅速占领市场的大部分份额;相比之下,第三代、第四代太阳能电池仍处于电池材料开发的萌芽阶段,虽然其应用潜力已在实验室中得到证明,但尚未达到大规模生产的水平,处于技术生命周期的萌芽期。综合以上研究结果,太阳能电池领域的潜在技术可归纳为以下方面:

  2.1、基于材料吸光度的多层结构设计

吸光度(Absorbance)是衡量材料吸收光的能力的物理量,吸光度越大,材料对光的吸收能力越强,光的透过率越低。同时,由于材料本身性质不同,材料吸收光线的波长范围往往也有差异,在红外线、可见光、紫外线等波长范围内分布不均。

传统的太阳能电池中,通常采用单一的电池材料完成光电转换,其效率直接取决于材料性质。随着人们对电池材料的认识不断深入,研究人员发现可以利用材料吸收特定波长光线的性质,选择性地透过其他波长范围的光,在原有材料的下层分布其他电池材料对透过光进行再吸收,进而弥补单一电池材料光电转换的不足,在全波长范围内充分利用光能。

原理上,多层结构弥补了传统太阳能电池对光能利用率低的不足,有望提高光电转换效率。但是在实际操作中,多层结构向研究人员提出了更高的要求:一方面,电池材料多种多样,每种材料都拥有各自的吸光特性,如何遴选材料使之在吸收波长得到互补、在吸光度上互相匹配,是多层材料设计的最大难点,如果处理不当将导致材料资源的浪费,还会提高成本;另一方面,多层结构的实现对材料制备工艺提出挑战,如何匹配不同材料的合成条件、采用适当的工艺保证不同材料在多个层级上分布是亟待解决的关键技术。

2.2、薄膜电池片规模化制造技术

薄膜材料已被证明是取代传统晶体硅电池片的重要替代,也是当前最具市场化前景的太阳能电池技术。

薄膜材料的研究在20世纪90年代取代重大进展,瑞士洛桑高等工业学院GRATZELM的研究小组将染料敏化纳米晶体太阳能电池光电转换效率从之前的不足1%提高到7%以上。随后的10年中,研究人员不仅验证了染料敏化太阳能电池(DSC)作为P-N节光电装置在技术和经济上的可行性,还合成了其他可用于太阳能电池的新型材料,薄膜材料得到了深入快速的发展。

虽然多种薄膜材料已在实验室中成功制备,但其产业化应用却遭遇了制造成本高、工艺适用性差的瓶颈。前已述及,实验室合成薄膜材料常用的成膜技术随材料不同而差异巨大,同时产量太少,可以供应科学研究却难以满足应用需求。因此,近年来出现了产量更大、适用性更广的印刷涂层技术、卷对卷制程技术(Full Roll-to-rollPro-cessing)等新技术,其技术方案仍待完善。

如果能解决薄膜电池片的规模化制造,这一技术可能在短期内迅速替代传统晶体硅电池,成为太阳能电池的主要品种。

2.3、聚合物太阳能电池的维护与延寿

在太阳能电池领域文献排名前9位的关键节点中,与聚合物直接相关的有3个,与之间接相关的有1个,其研究现状与应用前景可见一斑。尽管聚合物太阳能电池尚不具备实用价值,但其成本更低、材料更易获取,使之成为未来极具潜力的太阳能电池。

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