从太阳获取更多能量:如何制造更好的太阳能电池


2017-07-06 01:39:08

从太阳获取更多能量:如何制造更好的太阳能电池

纽约州立大学宾厄姆顿大学Tara P Dhakal随着发展中国家走向工业化,全球能源需求逐渐增加专家估计,到2050年,全球电力需求可能达到30太瓦(TW)

terawatt大约相当于130亿匹马的力量来自太阳的能量是无限的 - 太阳在任何特定的瞬间为我们提供120,000 TW的能量 - 它是免费的但是今天太阳能仅提供世界电力的约百分之一关键挑战是将光能转换成可用电能的成本降低要做到这一点,我们需要找到吸收阳光并将其转化为电能的材料此外,我们希望这些材料丰富,环保且经济实惠制造太阳能设备来自世界各地的研究人员正致力于开发高效且价格合理的太阳能电池技术他的目标是将太阳能发电的安装成本降至每瓦1美元以下,而今天每瓦约3美元

在宾厄姆顿大学自动太阳能发电中心(CASP),我们正在研究使用以下材料制造薄膜太阳能电池的方法

丰富的天然和无毒我们希望开发可靠,高效的太阳能电池,将阳光转化为电能,制造成本低廉我们已经确定了两种具有巨大潜力的太阳能吸收材料:黄铁矿,因其金属性而被称为傻瓜金光泽;和铜锌锡硫化物(CZTS)今天的商用太阳能电池由三种材料中的一种制成:硅,碲化镉(CdTe)和铜铟镓硒(CIGS)各有优缺点硅太阳能电池是高效率,将高达25%的太阳光转化为电能,非常耐用然而,将硅加工成晶圆非常昂贵而且这些晶圆必须非常厚(大约03毫米,对于太阳能来说很厚)细胞)吸收落在它们上面的所有阳光,这进一步增加了成本硅太阳能电池 - 通常被称为第一代太阳能电池 - 被用于已成为熟悉的屋顶景观的面板我们的中心正在研究另一种类型薄膜太阳能电池,是下一代太阳能技术顾名思义,薄膜太阳能电池是通过在玻璃或塑料等基板上铺一层薄薄的太阳能吸收材料制成的

通常可以是柔性的这些太阳能电池使用较少的材料,因此它们比由硅制成的晶体太阳能电池便宜

不可能在柔性基板上涂覆晶体硅,因此我们需要使用不同的材料作为太阳能吸收器尽管薄膜太阳能技术正在迅速发展,今天的薄膜太阳能电池中的一些材料是稀缺或危险的

例如,CdTe中的镉对所有生物都具有高毒性,并且已知会导致人类癌症,CdTe可分离成镉和碲在高温下(例如,在实验室或室内火灾中),冒着严重的吸入危险我们正在使用黄铁矿和CZTS,因为它们无毒且非常便宜,CZTS成本约为每瓦0.005美分,黄铁矿成本仅为每分钟0000002美分瓦特它们也是地壳中含量最丰富的材料之一,能够有效吸收可见光谱

这些薄膜可以薄至1/1000我们需要在将这些材料制成太阳能电池之前对这些材料进行结晶这是通过加热它们来实现的.CZTS在600摄氏度以下的温度下结晶,相比之下硅的1200摄氏度或更高,这使得加工成本更低就像现在商业上可获得的高效铜铟镓硒(CIGS)太阳能电池一样,但是用更便宜和更丰富的锌和锡取代这些电池中的铟和镓到目前为止,CZTS太阳能电池的效率相对较低:它们将不到13%的阳光转化为电能,相比之下,更昂贵的CIGS太阳能电池的转换率为20%我们知道CZTS太阳能电池的效率可能达到30% 主要挑战是1)合成高质量的CZTS薄膜,没有任何杂质痕迹,2)为其下面的“缓冲”层寻找合适的材料,这有助于收集太阳光在吸收层中产生的电荷我们的实验室生产了一种效率为7%的CZTS薄膜;我们希望通过合成高质量的CZTS层并找到合适的缓冲层来快速达到15%的效率硫铁矿是另一种可在极低温度下合成的潜在吸收剂我们的实验室合成了黄铁矿薄膜,现在我们正在努力将这些薄膜分层进入太阳能电池这个过程具有挑战性,因为当黄铁矿暴露在高温和潮湿环境中时,它很容易分解我们正在研究如何使其更稳定而不影响其太阳能吸收性和机械性能如果我们能够解决这个问题,“傻瓜的黄金”可能会变成智能光伏器件在最近的一项研究中,斯坦福大学和加州大学伯克利分校的研究人员估计,到2050年,太阳能发电可以提供高达45%的美国电力

为了实现这一目标,我们需要继续降低成本

太阳能并找到使太阳能电池更可持续的方法我们相信丰富,无毒的材料是实现潜力的关键太阳能发电Tara P Dhakal,纽约州立大学宾汉姆顿大学电气与计算机工程助理教授本文最初发表于The Conversation阅读原文

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