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叠层太阳能电池是光伏业的未来?

         太阳能电池发展经历了三个阶段。以硅片为基础的“第一代”太阳能电池其技术发展已经成熟,但单晶硅纯度要求在99.999%,生产成本太高使得人们不惜牺牲电池转换率为代价开发薄膜太阳能电池。

 
        第二代太阳电池是基于薄膜材料的太阳电池。薄膜技术所需材料较晶体硅太阳电池少得多,且易于实现大面积电池的生产,可有效降低成本。薄膜电池主要有非晶硅薄膜电池、多晶硅薄膜电池、碲化镉以及铜铟硒薄膜电池,其中以多晶硅为材料的太阳能电池最优。太阳能光电转换率的卡诺上限是95%,远高于标准太阳能电池的理论上限33%,表明太阳能电池的性能还有很大发展空间。第三代太阳电池具有如下条件:薄膜化,转换效率高,原料丰富且无毒。
 
        目前第三代太阳电池还处在概念和简单的试验研究。已经提出的主要有叠层太阳电池、多带隙太阳电池和热载流子太阳电池等。其中,叠层太阳能电池是太阳能电池发展的一个重要方向。
 
        2013年9月,德国弗朗霍夫太阳能系统研究所、法国聚光光伏制造商Soitec公司、德国柏林亥姆霍兹研究中心携手宣布,他们制造出一款在太阳光浓度为297下光电转化效率高达44.7%的四结光伏电池,创造了新的世界纪录。他们表示,最新研究有望大幅降低太阳能发电的成本并为获得转化效率高达50%的太阳能电池铺平了道路。最新研制出的四结太阳能电池中的单个电池由不同的III-V族(元素周期表中III族的B,Al,Ga,In和V族的N,P,As,Sb等)半导体材料制成,这些结点逐层堆积,单个子电池能吸收太阳光光谱中不同波长的光。
 
        第三代太阳能电池面临的挑战
 
        第三代光伏电池综合考虑了多重能量阈值、低成本的制备方法、丰富无毒的原材料等,使降低每瓦成本变得较容易。叠层设计是目前发展最好的可通过聚光系统或降低成本或从优化薄膜设计增加效率等方面改进从而降低每瓦成本的技术,然而该技术的稳定性不是很好。中间带和上下转换太阳电池的应用还为时尚早,但它们在利用薄膜材料增加转换效率和提高光谱稳定性方面具有很大潜力。
 
        虽然应用碰撞离化和热载流子概念太阳电池可以大幅度降低每瓦的成本,但这两种技术都还有很多理论方面的问题有待解决。其它更深奥的新概念电池理论上可以提高转换效率,但未必能在实际应用中实现。把这些新概念电池结合起来利用也不失为一种好方法,如在同一个电池中既应用上转换又应用下转换机理;或者把上转换和叠层技术结合起来;另外碰撞离化和中间能级也可以应用到下转换电池中而非用来直接产生载流子。
 
        第三代光伏电池的理论概念及其工艺实现方法是当今光伏电池研究领域的最前沿问题,若能获得成功将会对整个光伏电池领域的发展起到里程碑式的贡献。
 
        第三代太阳能电池前景展望
 
        第三代光伏电池综合了第一、二代太阳能电池的优点,克服了第一代太阳能电池成本较高、第二代薄膜太阳能电池转换效率低的不足,并且具有原材料丰富、无毒、性能稳定耐用、对环境无危害等优点,在未来的光伏市场中会有很好的发展前景。
 
        作为第三代新型高效太阳能电池的典型代表,GaAs叠层太阳能电池的发展是与CPV系统紧密相连的。与传统的晶硅电池发电系统相比,CPV产业还处于起步阶段,全球CPV装机容量还不是太大。目前全球装机容量仅有500MW左右。这主要是因为与晶硅等太阳能发电技术相比,CPV现在的建设成本并无太大优势,但作为一项新兴技术,随着生产规模的扩大、电池片效率的提高、跟踪系统、聚光模块和冷却模块设计的改进、生产技术的进步等等,其成本有着巨大的下降空间。未来CPV系统的成本和技术优势将逐步显现,届时也将获得巨大的市场空间。

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