下一代

太阳能是地球上最丰富的能源资源,和太阳能电池板可以直接将这种能量转化成电能。但目前的光伏电池太阳能电池板产生能量比燃烧化石燃料更昂贵。所以有很大的努力降低材料和加工成本,和提高效率,解决可再生能源日益增长的需求。

大多数的光伏(PV)细胞在市场上硅。代表了第一代硅光伏技术,这是昂贵的生产但有效。第二代由薄膜光伏,如无机材料碲化镉和香烟(cigd,立方寸_{1 - x}遗传算法_xSe₂生产),这些都是便宜的。有机的,钙钛矿和染料敏化太阳能电池通常被称为第三代,这些有可能进一步降低成本,说Aron沃尔什,而现在英国巴斯大学的。

钙钛矿推

沃尔什在下一代太阳能电池正在开发以较低的成本实现高性能,同时消除low-abundance或有毒元素的必要性。我们的灵感来自材料,自然发生的矿物质——我们称之为太阳能矿物学,”他说。其中一些新材料包括kesterites -硫化铜矿产的公式₂SnS(锌、铁)₄正在开发,进入薄膜市场。英国财团PVTEAM,沃尔什是一个成员,正在与硫化铜锡锌改性。丰富的铜、锌和锡,kesterites一样好碲化镉和香烟在物理性质方面,沃尔什说。

沃尔什还与钙钛矿- ABX₃矿物晶体结构相同的钛酸钙(比率₃)。所需的材料是地球上充足的和简单的解决方案处理表明,大规模生产应该是可能的,沃尔什说。

2009年,有机-无机杂化钙钛矿最初用于染料敏化太阳能电池吸收光线代替分子染料。然后,在2012年,亨利·史英国牛津大学和他的同事们发现,钙钛矿本身可以作为光敏半导体。钙钛矿以来见过的繁荣在光伏研究。它们便宜,容易制作,可以薄,足够灵活制造精密卷绕对位技术。它们也可以分层的传统硅太阳能电池来提高他们的能量输出。最好的设备到目前为止已达到转换效率——一个衡量有多少的太阳能量转换成电能的22%以上。晶体硅光伏市场上转换效率高达23%,但很难比较两个因为硅的结果是1米²模块,记录钙钛矿效率为0.1厘米²测试细胞,沃尔什说。

几组正在研究降低钙钛矿设备有毒(典型设备含铅),改善其稳定性(有一种理论认为,高碘地区形成的细胞在光下,限制电压获得的设备),使他们不太敏感,潮湿的天气和潮湿的条件。史和他的团队最近改进的抗湿性金属卤化物钙钛矿太阳能电池。他们发现,一种常用的空穴传输掺杂剂(吸湿锂盐)使亲水的表层细胞,导致他们降低水分的存在。所以他们使用低成本、疏水性洞转运蛋白结合pre-oxidised盐掺杂方法的各自准备有效的细胞钙钛矿洞转运蛋白,极大地增强了水的阻力。

沃尔什和他的团队仍在寻找其他下一代候选人无机材料。他们刚刚完成了一个电脑超过四万亿个化合物的筛选和分析数据的过程。

物质财富为有机物

物理学家莫里茨Riede英国牛津大学的努力提高有机半导体光伏发电的效率和寿命。这些材料已经经历了大规模的商业化用于有机发光二极管为移动电话和电视显示器。Riede的团队正在使用相同的处理方法-真空沉积的纯化小有机半导体分子的细胞。这项技术允许层建立受控条件下,直到一个工作有机太阳能电池。

有机太阳能电池有几个优势超过现有的太阳能电池。他们非常薄,轻,可以弯曲,卷起,健壮,有不同的颜色,甚至可以使半透明发电窗户,Riede解释道。他们也基于丰富和无毒原材料和制造技术-打印或真空镀膜非常适合涂层大面积迅速以低成本和低能量输入。

问题是,我们能更好地理解背后的物理效率损失和设法获得更高效的有机太阳能电池?

莫里茨Riede

不幸的是,目前,他们更昂贵的比商用太阳能电池,鉴于他们迄今为止只有小规模的生产使用定制的设备。规模经济,帮助降低硅太阳能电池的成本明显在过去几十年没有踢,“Riede说。“我看到潜在的成本购买有机太阳能电池所产生的电力,在大规模生产时,低于硅太阳能电池。”

但如何好他们在将太阳能转化电能吗?认证实验室的效率记录有机太阳能电池目前是13.2%,这似乎不高与46%的整体世界纪录相比,Riede说,但他希望单独指出效率作为衡量是不够的。最后重要的是太阳能发电的成本多少,这就是原因之一硅太阳能电池的效率20%左右目前商业上最成功的太阳能技术,”他说。

比较不同技术标准的方法是在充满阳光的太阳能电池温度25°C,但这并不捕获多少能量收获随着时间的推移,不同光强度和太阳能温度通常远高于25°C(毕竟,你把太阳能电池在阳光下),Riede说。在现实条件下,在有一天,有机太阳能电池表现更好,这样他们13%的转换效率可能比较好15%的认证的硅太阳能电池。”

Riede看到有机太阳能电池第一次使用传统的太阳能电池市场的斗争;例如被融入建筑,汽车,在windows中,在移动电子设备,在顶篷上和帐篷,以及最终屋顶和发电站。他的下一步是更好地了解目前限制了有机太阳能电池的转换效率。有一些想法导致效率损失和如何减少它们。问题是,我们能更好地理解这些损失并找到背后的物理方法来减少他们得到更高效的有机太阳能电池?我认为研究仍将是有趣的多年来,”他总结道。

提高薄膜的处理

两个英国公司正在开发更高效的处理技术是Nanoco公司技术和Eight19。Nanoco公司,位于曼彻斯特,是世界领先的生产一直在量子点等纳米颗粒。太阳能,Stephen Whitelegg负责设备工程师和化学家开发解决方案工作流程生产薄膜无机半导体香烟。这是目前由溅射涂层或蒸发在真空中。但是这些技术是昂贵的和吞吐量可能会很慢,Whitelegg说,他补充道,由于成本、香烟只有光伏市场5%的份额。

香烟比硅在能源生产方面的生命周期太阳能电池板(除去电力成本),因为他们更有效地将太阳的能量在弱光条件下,他们更好的在热环境中。香烟,带隙之间的能量差(顶部的价带和导带底部)可以通过调优来收集尽可能多的太阳光谱的通过改变的比率镓和铟;这与硅不能进行优化。香烟模块也可以统一的黑色的外观变得更加美观,而不是个人的晶片由电线中著名的硅太阳能电池模块。细胞可以集成到其他材料,如屋顶瓦片,和制造柔性基板使其适合建筑一体化光伏市场,Whitelegg说。

Whitelegg的主要目的是为了减少生产香烟的成本,同时保持高的性能。过程包括涂层刚性衬底,如玻璃,墨水组成的无机半导体纳米粒子。印刷是远低于使用真空技术和真空,至少30%的材料浪费,而印刷生产浪费,不到5%的Whitelegg说。半导体纳米粒子是由有机配体和稳定分散在有机溶剂中形成一个墨水。一旦墨水打印在衬底,层加热去除配体和烧结纳米粒子结合在一起产生一层薄膜。通过越来越多的纳米颗粒在这种自下而上的方法,团队能够得到3纳米大小的微粒,与自顶向下的方法,完整的材料是碾碎在球磨机生产50纳米粒子。更小的微粒包更紧密地合作在大量基质和有一个更好的化学均匀性(元素内的粒子的比例),这两种导致更好的性能。

在转换方面,团队的香烟已经达到16.7%(有效面积)。迄今取得的最佳转换效率与真空技术在实验室是22.1%,但Whitelegg指出,扩大模块将导致它下降到14 - 16%。”这就是解决方案处理香烟有可能达到一个更高的模块效率由于化学均匀性改善,”他说。“我们的目标是至少20%研发规模在我们开始商业化。他的团队目前正期待扩大和商业化的产品。

剑桥Eight19——得名于阳光照射到地球上的时间(8分19秒)——公司正在开发新的低成本、灵活的塑料太阳能电池。Jurjen温克尔的架构开发团队评估材料,并建立和测试过程应solution-processed精密卷绕对位生产太阳能电池可伸缩。

的基于混合细胞无毒有机和无机材料,可以加工成墨水,沉积的层上灵活支持创建serially-interconnected光伏模块,”温克尔解释道。他们使用solution-processed有机光伏模块的原因是他们在温度低于150°C,可加工的允许使用低成本的塑料支持所需的精密卷绕对位技术处理。Roll-based处理通常是用作高速渗透膜生产技术和全息电影,例如,他说。

与灵活的太阳能电池,可以引入更多种类的设计,如不同的形状和颜色来满足客户的需求。“不寻常的形状和配置使有机光伏(口服脊髓灰质炎疫苗)材料的设计方面脱颖而出,”温克尔说。的太阳能电池组件可以像有色窗口,允许不改变的光通过整个堆栈。这个特性使得口服脊髓灰质炎疫苗的构建集成解决方案,允许相当大的建筑创作。

Eight19,最好的电池转换效率7.5%左右的使用一个完全可扩展的过程,但是他们正致力于改善这个图中,口服脊髓灰质炎疫苗细胞已经知道达到效率超过10%。“重要的是要理解,这些通常是通过使用非常小的测试细胞制造玻璃使用不能攀登的技术如旋转涂布和相当接近无限的处理时间窗口,”温克尔说。保持高效的挑战当转移在规模和塑料基板在生产过程中有一个有限的时间为每个步骤不应被低估。”

以及收集太阳的能量,口服脊髓灰质炎疫苗细胞也可以用来获取能量从人造光。人工照明排放主要在电磁波谱的可见区域,口服脊髓灰质炎疫苗细胞吸收。”因此,口服脊髓灰质炎疫苗效率明显高于其他类型的细胞在人工照明,特别是led,大量的辐射光可以被吸收,”温克尔说,世卫组织目前正在口服脊髓灰质炎疫苗细胞上运行测试。

Eight19未来两年的关注是商业化的产品。公司面临的挑战是一样的,任何年轻的公司——达到足够的规模来实现口服脊髓灰质炎疫苗的大量成本潜力的材料,确保我们的产品先发客户的期望相匹配。找到一个利基市场,口服脊髓灰质炎疫苗擅长是缩小规模差距的关键,”温克尔说。

以及降低成本,光伏研究人员面临的最大挑战是扩大新材料和流程适用于商业设备。的扩大,同时保持高绩效,可以一样要求确定一个可行的光敏材料,”沃尔什总结道。

在布里埃丽诺休斯是一个基于科学作家,英国