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【年末盘点】2016年太阳能光伏行业十大前沿技术(二)

核心提示:近来,我国东北地区严重的雾霾问题引发了全民吐槽。而在人们争相吐槽的同时,如何快速发展可再生能源以有效解决雾霾问题也成为了讨论的焦点。
 NO.6 光伏电池能效记录再次被打破 高达34.5%

澳大利亚新南威尔士大学(UNSW)打破了光伏电池的能效记录,将太阳能转换效率提升到了惊人的34.5%。此前,美国的Alta Devices曾创下了24%的转换率记录,但UNSW下属澳大利亚先进光电中心高级研究员Mark Keevers和Martin Green打造的新设备,又将性能提升了不少。2014年的时候,他们曾利用镜子集中光线的方式,将转换率定格在了40%以上。不过这一次,新设备并未"作弊",而是在正常光照条件下取得的这一成绩。


UNSW的Mark Keevers展示手上的装置

新装置由嵌入棱镜的四片迷你模块结合而成(大小为28cm2),当阳光照射棱镜的时候,会被分成四段输入四联接收器,从而增加了可从阳光中获取到的能量。


新装置的工作示意图

在玻璃棱镜的一侧,是一片硅光电池(silicon cell);在另一边,则是三结太阳能电池(triple-junction solar cell)。这种太阳能电池有三层,各自对应不同的光波,能够最有效地利用光能,而剩下的光能会传递到下一层、最终红外光波会被筛出反弹到硅光电池那边。

Green表示:"业界多年来一直未能达到这一效率水平,而近期德国Agora Energiewende的一份研究,还认为要到2050年才能让非聚焦太阳能收集模块的效率达到35%并走入家庭应用"。

Keevers在一篇声明中称:"通过让每一束光线产生转化成尽可能多的能量,对于降低太阳能发电成本是极为重要的,因其降低了所需的投资、回报也来得更快"。

编辑点评:毫无疑问,该项技术是极具爆炸性的,34.5%的转换效率让人惊讶。更难能可贵的是,该纪录是在正常光照条件下取得的。而遗憾的是,由于结构太复杂、量产成本过高,当前的原型装置并不适合在屋顶上大规模应用。所以该项技术未来想要形成发展,还需要降低复杂程度,并减少边际成本。

No.7 英美大学开发串联型钙钛矿太阳能电池 效率有望超30%!

美国斯坦福大学与英国牛津大学的研究人员宣布,利用涂布技术制作的串联型钙钛矿太阳能电池实现了20.3%的高转换效率,并且该电池具备高耐久性。预计将来转换效率有望超过30%。论文已发表在学术杂志《科学》上。

串联型太阳能电池,是以两层太阳能电池更有效地利用太阳光,以提高转换效率的技术。具体来说,第一层主要吸收太阳光中波长稍短的光和紫外线,第二层吸收波长稍长的光和红外线。

现有的串联型钙钛矿太阳能电池中,有在硅系太阳能电池上层叠钙钛矿太阳能电池的例子。此次与这类案例不同,其两层都是钙钛矿太阳能电池,分别是在玻璃基板上以涂布技术制作,再贴合到一起制成串联型。


制作的串联型太阳能电池的截面照片

下面的红色层面向短波长光,上面的褐色层面向长波长光(摄影:Giles Eperon)

两层都制成钙钛矿太阳能电池的困难在于第二层的制作。此次单层具有14.8%转换效率、主要支持红外线的钙钛矿太阳能电池的实现,除了使用铅(Pb)的普通材料外,还采用了锡(Sn)和铯(Cs)。将其用于串联型,获得了20.3%的转换效率。

据称,钙钛矿太阳能电池,尤其是基于Sn的电池存在耐久性非常短等问题,而此次的制作大幅提高了耐久性。该太阳能电池在100摄氏度大气压环境下4天的实验中表现出了良好的耐久性。

编辑点评:发展迅速的钙钛矿电池,近几年来一直是太阳能产业的研究热点。钙钛矿技术具有巨大的潜力,有望在实现和砷化镓一样高的性能的同时实现比多晶硅电池还低的制造成本。尽管钙钛矿太阳能电池还存在诸多问题,但是近年的技术进展已经表明,钙钛矿光伏技术并没有难以逾越的原理性问题。该串联型钙钛矿太阳能电池不但效率突破到了一个新高点,而且提高了钙钛矿电池的耐久性,使得钙钛矿电池的发展向前迈进了一大步。

NO.8 石墨烯+光伏 太阳能电池雨天发电不用愁

多年来,工程师和材料学家在提高太阳能电池发电效率、扩大储电容量上的作为颇多。但是此太阳能发电仍需要天气的配合,当碰到下雨或多云的天气,太阳能电池的发电效率也随之大打折扣。中国科学家借助石墨烯成功开发出一种雨天也能发电的新型太阳能电池。

中国海洋大学(青岛)与云南师范大学(昆明)的科研团队在德国期刊《应用化学国际版》上发布研究报告详细阐述了这项成果,为了使得雨水也能产生电能,研究人员在高效染料敏化太阳能电池表面上覆盖了一层石墨烯薄膜。在遇水的情况下,石墨烯的电子可吸引正电荷离子,即路易斯酸碱电子理论,这一属性也可用于去除溶液中的铅离子和有机染料。


原理图

该科研团队受路易斯酸碱电子理论启发,使用石墨烯薄膜来从雨水中获取电能。要知道,雨水并不是毫无杂质的纯净水,其中含有能分离成正负离子的盐份,其中正电荷离子主要为钠离子、钙离子与氨盐基。为了巧妙利用这些化学成分,科学家选用了能够吸引正离子的石墨烯薄膜,在雨水与石墨烯的接触点上,这些成分会被吸附到石墨烯表面,这层带正电的离子层会与石墨烯的负电电子作用结合,形成一个电子与正电荷离子组成的双层结构,能起到电容器一样储备电能的效果,双层间的势能差足以产生电压和电流。

在测试过程中,科学家们在染料敏化太阳能电池上加了一层石墨烯薄膜,然后把它们放在一种由铟锡氧化物和塑料制成的柔韧且透明的基质上,由此形成的柔韧度高的太阳能电池的光电转换效率为6.53%,并能从用来模拟雨水的盐水中产生数百的微伏特(microvolt)。

“未来太阳能电池的发展趋向可能是全天候的。”唐群委说,但这一研究尚处于概念阶段,距离投入商用还需很长一段时间。唐群委还表示,他们未来的研究力度将集中于如何有效控制雨水中的各种离子,以及如何利用雨中那些常见的低浓度离子发电。

编辑点评:梦幻变成真实,雨天也能发电的太阳能电池,将打破太阳能发电一直以来的软肋。在这一点上来说,这项技术毫无疑问是极具开创性的。未来,这项技术在雨量充沛但太阳能资源不够丰富的地区、酸雨多发地区、以及岛礁供电和海上航行等领域都能派上用场。如果未来该项技术能得到持续发展,光伏电站将摆脱发电雨天不能发电的桎梏,为全球带来稳定的供电。

NO.9 生物太阳能电池:苔藓居然也能发电

西班牙加泰罗尼亚高级建筑学院的学生Elena Mitrofanova提出一项以苔藓为介质的光伏发电系统,直观看来,是一组种植苔藓的立面中空模块化墙砖。


立面的苔藓光伏发电系统

在光合作用过程中,植物利用光能把周边环境中的二氧化碳和水转化为有机化合物。"(苔藓)释放的有机化合物进入含有共生菌的土壤,细菌为生存对有机化合物进行分解,这一过程就产生了含有电子的副产品。"Mitrofanova说,"只需为这些微生物产生的电子提供一个电极,这些电子就能被收集且发电。"

一个苔藓发电单位就是一个完整的生物电运行系统,由阳极生物材料(苔藓)、阳极、阴极、阴极催化剂、允许正电荷(主要是质子)从阳极生物材料向阴极转移的"盐桥"组成。阳极即水凝胶和导电碳纤维组成的无土基质,水凝胶是一种可吸收其自身重量400倍的水分的聚合物,能与苔藓湿度互补。发电系统中物质均不会破坏苔藓的代谢运动。

将苔藓电池设计成具有伸缩性的系统,可应用于城市地区是Mitrofanova的目标之一。苔藓光伏电池的组织形式有并联和串联电路两种,可安装在建筑物的外墙。

编辑点评:相对于其他的技术,该生物太阳能电池目前的研究并不是那么的有震撼性,但是通过光合作用来实现太阳能发电的想法得到了实践。而且,相比于硅制成的太阳能电池,使用生物材料制成的太阳能电池来捕获光能更具优势,其生产成本更低,且具有自我修复、自我复制和可生物降解的功能。虽然目前该苔藓发电系统的发电量还十分有限,但是随着未来科技的发展,该项技术将很有可能将成为人类的可行选择。

No.10 新太阳能技术 发电效率吊打薄膜太阳能

如今,太阳能技术已取得突飞猛进的发展,薄膜太阳能发电效率已高达31%,聚光太阳能技术也已日渐成熟。然而,现有太阳能技术也有其技术瓶颈,发电效率始终在30%左右徘徊,但这种局面即将为新的技术所打破。日前,美国普渡大学的研究者们通过将现有多种太阳能技术混搭,构建一个混合系统,将太阳光利用效率提升至50%。

通过技术混搭,普渡大学的研究者们创造了一个全新的概念,它混合了现有三种太阳能技术,分别是PV、热电技术(TE)和聚光太阳能技术。当然,该系统并不是简单地将三种技术累加在一起,而是充分利用太阳光谱,构建了一个完整有序的系统。

首先,PV太阳能电池板能将可见光与紫外线等高能光子转化为电能,提供系统约20%的电能。如采用薄膜太阳能电池板,发电效率会提升至31%。

同时,研究者们采用一种全新设计的“选择性的太阳能吸收器和反射镜”热电装置,能将太阳光热低能光子转化为电能,生成约5%的电能;与此同时,该热电装置通过使用镜组聚光,将热量收集并进行存储,驱动蒸汽涡轮,生成约占本系统25%的电能。

普渡大学电子和计算机工程学院的助理教授PeterBermel表示,“这种做法集成了现有的几种使用太阳能的方法,通过使用混合系统,能全光谱利用太阳光线,从而提高太阳能发电效率。”

据悉,该系统通过利用光谱分裂的优点,提高太阳光利用效率,降低发电成本,并能显著提高电网兼容性。理想状况下,这套系统能在现有条件下利用太阳光效率超过50%,而单靠PV系统,效率最多只有31%。

目前,该项研究工作已得到美国能源部和美国国家科学基金的支持。然而,整套系统仍处于理论设计阶段,为验证其可行性,研究者们还需做进一步实验分析。该项研究的论文,已发表在8月15日的《能源环境科学》杂志的网络平台上。

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