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【中國環(huán)保在線 技術(shù)前沿】俗話說，技術(shù)創(chuàng)新是生產(chǎn)力，太陽能發(fā)電想挑起重任，就必須要通過不斷的技術(shù)創(chuàng)新來降低發(fā)電成本。2016年太陽能行業(yè)勢頭大好，一個又一個的技術(shù)突破證明了太陽能發(fā)電的良好前景。
近來，我國東北地區(qū)嚴(yán)重的霧霾問題引發(fā)了全民吐槽。而在人們爭相吐槽的同時，如何快速發(fā)展可再生能源以有效解決霧霾問題也成為了討論的焦點。其中，經(jīng)過多年來的快速發(fā)展，太陽能發(fā)電已經(jīng)成為了便宜的能源之一。但是盡管如此，相對于火電等傳統(tǒng)能源來說，太陽能發(fā)電的成本依然較高。那在霧霾肆虐之下，太陽能發(fā)電又靠什么來降低發(fā)電成本，挑起可再生能源取代傳統(tǒng)化石燃料的重任，還天空一個蔚藍(lán)呢？
俗話說，技術(shù)創(chuàng)新是生產(chǎn)力，太陽能發(fā)電想挑起重任，就必須要通過不斷的技術(shù)創(chuàng)新來降低發(fā)電成本。追本溯源，從長遠(yuǎn)發(fā)展來看，太陽能發(fā)電成本的降低主要依靠的是電池效率的突破。而令人欣慰的是，2016年太陽能行業(yè)的科研人員們并未讓人失望，他們用一次又一次的技術(shù)突破證明了太陽能發(fā)電的良好前景。下面將為大家盤點光伏行業(yè)2016年度新技術(shù)和突破性進(jìn)展。
松下推出新型HIT太陽能電池組件 效率達(dá)36％
2016年2月16日，松下宣布推出創(chuàng)新型太陽能電池板，HIT N330 和N325 光伏組件。該創(chuàng)新型異質(zhì)結(jié)電池結(jié)構(gòu)由單晶硅和非晶硅(無定形硅)層構(gòu)成。據(jù)報道，松下HIT系列電池與傳統(tǒng)太陽能電池尺寸相同，但能效居于行業(yè)。松下表示，松下HIT系列太陽能電池板利用 96片HIT太陽能電池，相比于傳統(tǒng)60片電池而言，不浪費空間，高溫情況下性能表現(xiàn)更好。并且，此新型太陽能電池組件幾乎適用于所有的住宅應(yīng)用，每平方英尺產(chǎn)能高達(dá)36%，能極大降低系統(tǒng)安裝成本。
松下指出，其獨特的金字塔式電池結(jié)構(gòu)促成了其的效率，可吸收更多的陽光發(fā)電，比傳統(tǒng)晶體結(jié)構(gòu)能效更高。排水架設(shè)計可排開太陽能電池板表面的積水，即便安裝角度較低，可避免積水或變干后的水漬，減少能源輸出耗損效率。
薄膜CIGS太陽能電池效率刷新紀(jì)錄 達(dá)22．6％
德國巴登符騰堡太陽能和氫能源研究中心(ZSW)宣布研制出轉(zhuǎn)換效率為22.6%的CIGS(銅銦鎵硒)薄膜太陽能電池。轉(zhuǎn)換效率超出日本制造的電池0.3個百分點，這也是ZSW第五次重新攬回世界紀(jì)錄。
此款新型電池面積為0.5平方厘米，屬于測試電池標(biāo)準(zhǔn)大小。研究所的研究人員通過提高優(yōu)化生產(chǎn)工藝提升了電池效率性能。具體就是CIGS表面的沉積后處理，將金屬化合物摻入到該層。銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽能電池效率在過去三年比過去15年增長還多。由于效率提高，其發(fā)電成本快速降低。
近年來薄膜光伏效率紀(jì)錄增長勢頭迅猛，前三年時間，每隔半年左右，世界紀(jì)錄就會被刷新，每年平均提升0.7%。薄膜電池可能很快將成為已經(jīng)占據(jù)了光伏市場多年的硅基解決方案的有力競爭者。據(jù)悉，在未來的幾個月里，ZSW將與業(yè)界的合作伙伴Manz合作，將這一新技術(shù)從實驗室輸出走進(jìn)工廠。Manz總部位于德國羅伊特林根，提供CIGS薄膜太陽能電池組件交鑰匙生產(chǎn)線。
Alta Devices雙結(jié)太陽能電池效率創(chuàng)紀(jì)錄達(dá)31.6％
Alta Devices宣布其砷化鎵太陽能光伏刷新世界紀(jì)錄，該公司生產(chǎn)出效率高達(dá)31.6%的雙結(jié)電池，此項新技術(shù)獲得美國能源部國家可再生能源實驗室(NREL)認(rèn)證。2013年Alta單結(jié)太陽能電池效率紀(jì)錄達(dá)30.8%，此后不久，該紀(jì)錄被NREL趕超，然而Alta重新再次刷新世界紀(jì)錄。
Alta Devices通過多項突破性技術(shù)來使用砷化鎵制造太陽能電池片，在單結(jié)太陽能技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了世界高能效。此次，阿爾塔推出的全新雙結(jié)技術(shù)建于之前的單結(jié)技術(shù)基礎(chǔ)之上，使用了磷化銦鎵作為基底之上的第二個吸收層。相比單結(jié)設(shè)備，磷化銦鎵利用高能光子的效率更高，所以在等量太陽光下，新的雙結(jié)技術(shù)產(chǎn)生的電量更多。該公司的太陽能效率已經(jīng)獲得能源部的國家可再生能源實驗室(NREL)測量和認(rèn)證。Alta現(xiàn)在保持單結(jié)雙結(jié)砷化鎵薄膜太陽能電池技術(shù)世界紀(jì)錄。但是還面臨將此實驗室研究技術(shù)創(chuàng)新投入到批量生產(chǎn)的挑戰(zhàn)。
多接合硅晶太陽能電池效率突破30％
德國Fraunhofer太陽能系統(tǒng)研究所(ISE)與奧地利公司EV Group(EVG)合作，成功以硅晶太陽能電池為基礎(chǔ)，加上擁有兩個電極的多接合太陽能電池技術(shù)，讓太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率一舉沖高到30.2%。
具體來說，F(xiàn)raunhofer ISE和EVG的研究員透過直接外延片接合(direct wafer bounding)工藝將微米級的三五族半導(dǎo)體材料轉(zhuǎn)換為硅材；經(jīng)電漿活化后，外延片表面的次電池(subcell)將呈現(xiàn)真空狀接合，使三五族次電池表面的原子與硅原子緊密接合，形成以硅材為基礎(chǔ)的次電池。
而透過堆疊磷化銦鎵(GaInP)、砷化鎵(GaAs)、硅(Si)等三種次電池所構(gòu)成的多接合電池，能吸收更廣光譜的太陽光，轉(zhuǎn)換效率也能大幅提升。Fraunhofer ISE和EVG成功使4平方公分面積的三五族半導(dǎo)體/硅材多接合電池之轉(zhuǎn)換效率提高到30.2%，突破了硅晶太陽能電池的理論效率天花板29.4%，并由Fraunhofer實驗室檢證完成。
弗勞恩霍夫聚光光伏組件效率創(chuàng)新高 達(dá)43．3％
弗勞恩霍夫ISE在2014年創(chuàng)造新的太陽能電池效率之后，宣布使用聚光光伏(CPV)技術(shù)的太陽能電池組件效率再次刷新世界紀(jì)錄。據(jù)位于弗萊堡的研究院透露，此款新型迷你CPV組件包括四結(jié)太陽能電池，效率刷新了世界紀(jì)錄達(dá)43.3%。
弗勞恩霍夫ISE Andreas Bett博士表示：“此項新技術(shù)創(chuàng)造了聚光光伏技術(shù)新的里程碑，展現(xiàn)出其工業(yè)應(yīng)用的潛力。”聚光光伏技術(shù)經(jīng)常使用多結(jié)太陽能電池。CPV技術(shù)廣泛應(yīng)用于太陽輻射大的地區(qū)。2014年，弗勞恩霍夫及其合作伙伴法國Soitec公司及其法國研究機構(gòu)CEA-Leti，創(chuàng)造了光電轉(zhuǎn)化效率高達(dá)46%的太陽能電池，是光電轉(zhuǎn)化效率的高紀(jì)錄。
光伏電池能效記錄再次被打破 高達(dá)34.5%
澳大利亞新南威爾士大學(xué)(UNSW)打破了光伏電池的能效記錄，將太陽能轉(zhuǎn)換效率提升到了驚人的34.5%。此前，美國的Alta Devices曾創(chuàng)下了24%的轉(zhuǎn)換率記錄，但UNSW下屬澳大利亞先進(jìn)光電中心研究員Mark Keevers和Martin Green打造的新設(shè)備，又將性能提升了不少。2014年的時候，他們曾利用鏡子集中光線的方式，將轉(zhuǎn)換率定格在了40%以上。不過這一次，新設(shè)備并未“作弊”，而是在正常光照條件下取得的這一成績。
新裝置由嵌入棱鏡的四片迷你模塊結(jié)合而成(大小為28cm2)，當(dāng)陽光照射棱鏡的時候，會被分成四段輸入四聯(lián)接收器，從而增加了可從陽光中獲取到的能量。在玻璃棱鏡的一側(cè)，是一片硅光電池(silicon cell)；在另一邊，則是三結(jié)太陽能電池(triple-junction solar cell)。這種太陽能電池有三層，各自對應(yīng)不同的光波，能夠有效地利用光能，而剩下的光能會傳遞到下一層、終紅外光波會被篩出反彈到硅光電池那邊。
Green表示：“業(yè)界多年來一直未能達(dá)到這一效率水平，而近期德國Agora Energiewende的一份研究，還認(rèn)為要到2050年才能讓非聚焦太陽能收集模塊的效率達(dá)到35%并走入家庭應(yīng)用”。eevers在一篇聲明中稱：“通過讓每一束光線產(chǎn)生轉(zhuǎn)化成盡可能多的能量，對于降低太陽能發(fā)電成本是極為重要的，因其降低了所需的投資、回報也來得更快”。
英美大學(xué)開發(fā)串聯(lián)型鈣鈦礦太陽能電池效率有望超30％
美國斯坦福大學(xué)與英國牛津大學(xué)的研究人員宣布，利用涂布技術(shù)制作的串聯(lián)型鈣鈦礦太陽能電池實現(xiàn)了20.3%的高轉(zhuǎn)換效率，并且該電池具備高耐久性。預(yù)計將來轉(zhuǎn)換效率有望超過30%。論文已發(fā)表在學(xué)術(shù)雜志《科學(xué)》上。
串聯(lián)型太陽能電池，是以兩層太陽能電池更有效地利用太陽光，以提高轉(zhuǎn)換效率的技術(shù)。具體來說，層主要吸收太陽光中波長稍短的光和紫外線，第二層吸收波長稍長的光和紅外線?，F(xiàn)有的串聯(lián)型鈣鈦礦太陽能電池中，有在硅系太陽能電池上層疊鈣鈦礦太陽能電池的例子。此次與這類案例不同，其兩層都是鈣鈦礦太陽能電池，分別是在玻璃基板上以涂布技術(shù)制作，再貼合到一起制成串聯(lián)型。
兩層都制成鈣鈦礦太陽能電池的困難在于第二層的制作。此次單層具有14.8%轉(zhuǎn)換效率、主要支持紅外線的鈣鈦礦太陽能電池的實現(xiàn)，除了使用鉛(Pb)的普通材料外，還采用了錫(Sn)和銫(Cs)。將其用于串聯(lián)型，獲得了20.3%的轉(zhuǎn)換效率。據(jù)稱，鈣鈦礦太陽能電池，尤其是基于Sn的電池存在耐久性非常短等問題，而此次的制作大幅提高了耐久性。該太陽能電池在100攝氏度大氣壓環(huán)境下4天的實驗中表現(xiàn)出了良好的耐久性。
石墨烯＋光伏 太陽能電池雨天發(fā)電不用愁
多年來，工程師和材料學(xué)家在提高太陽能電池發(fā)電效率、擴大儲電容量上的作為頗多。但是此太陽能發(fā)電仍需要天氣的配合，當(dāng)碰到下雨或多云的天氣，太陽能電池的發(fā)電效率也隨之大打折扣。中國科學(xué)家借助石墨烯成功開發(fā)出一種雨天也能發(fā)電的新型太陽能電池。
中國海洋大學(xué)(青島)與云南師范大學(xué)(昆明)的科研團隊在德國期刊《應(yīng)用化學(xué)版》上發(fā)布研究報告詳細(xì)闡述了這項成果，為了使得雨水也能產(chǎn)生電能，研究人員在染料敏化太陽能電池表面上覆蓋了一層石墨烯薄膜。在遇水的情況下，石墨烯的電子可吸引正電荷離子，即路易斯酸堿電子理論，這一屬性也可用于去除溶液中的鉛離子和有機染料。
該科研團隊受路易斯酸堿電子理論啟發(fā)，使用石墨烯薄膜來從雨水中獲取電能。要知道，雨水并不是毫無雜質(zhì)的純凈水，其中含有能分離成正負(fù)離子的鹽份，其中正電荷離子主要為鈉離子、鈣離子與氨鹽基。為了巧妙利用這些化學(xué)成分，科學(xué)家選用了能夠吸引正離子的石墨烯薄膜，在雨水與石墨烯的接觸點上，這些成分會被吸附到石墨烯表面，這層帶正電的離子層會與石墨烯的負(fù)電電子作用結(jié)合，形成一個電子與正電荷離子組成的雙層結(jié)構(gòu)，能起到電容器一樣儲備電能的效果，雙層間的勢能差足以產(chǎn)生電壓和電流。
在測試過程中，科學(xué)家們在染料敏化太陽能電池上加了一層石墨烯薄膜，然后把它們放在一種由銦錫氧化物和塑料制成的柔韌且透明的基質(zhì)上，由此形成的柔韌度高的太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率為6.53%，并能從用來模擬雨水的鹽水中產(chǎn)生數(shù)百的微伏特(microvolt)。
“未來太陽能電池的發(fā)展趨向可能是全天候的。”唐群委說，但這一研究尚處于概念階段，距離投入商用還需很長一段時間。唐群委還表示，他們未來的研究力度將集中于如何有效控制雨水中的各種離子，以及如何利用雨中那些常見的低濃度離子發(fā)電。
生物太陽能電池：苔蘚居然也能發(fā)電
西班牙加泰羅尼亞建筑學(xué)院的學(xué)生Elena Mitrofanova提出一項以苔蘚為介質(zhì)的光伏發(fā)電系統(tǒng)，直觀看來，是一組種植苔蘚的立面中空模塊化墻磚。
在光合作用過程中，植物利用光能把周邊環(huán)境中的二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為有機化合物。“(苔蘚)釋放的有機化合物進(jìn)入含有共生菌的土壤，細(xì)菌為生存對有機化合物進(jìn)行分解，這一過程就產(chǎn)生了含有電子的副產(chǎn)品。”Mitrofanova說，“只需為這些微生物產(chǎn)生的電子提供一個電極，這些電子就能被收集且發(fā)電。”
一個苔蘚發(fā)電單位就是一個完整的生物電運行系統(tǒng)，由陽極生物材料(苔蘚)、陽極、陰極、陰極催化劑、允許正電荷(主要是質(zhì)子)從陽極生物材料向陰極轉(zhuǎn)移的“鹽橋”組成。陽極即水凝膠和導(dǎo)電碳纖維組成的無土基質(zhì)，水凝膠是一種可吸收其自身重量400倍的水分的聚合物，能與苔蘚濕度互補。發(fā)電系統(tǒng)中物質(zhì)均不會破壞苔蘚的代謝運動。將苔蘚電池設(shè)計成具有伸縮性的系統(tǒng)，可應(yīng)用于城市地區(qū)是Mitrofanova的目標(biāo)之一。苔蘚光伏電池的組織形式有并聯(lián)和串聯(lián)電路兩種，可安裝在建筑物的外墻。
新太陽能技術(shù) 發(fā)電效率吊打薄膜太陽能
如今，太陽能技術(shù)已取得突飛猛進(jìn)的發(fā)展，薄膜太陽能發(fā)電效率已高達(dá)31%，聚光太陽能技術(shù)也已日漸成熟。然而，現(xiàn)有太陽能技術(shù)也有其技術(shù)瓶頸，發(fā)電效率始終在30%左右徘徊，但這種局面即將為新的技術(shù)所打破。日前，美國普渡大學(xué)的研究者們通過將現(xiàn)有多種太陽能技術(shù)混搭，構(gòu)建一個混合系統(tǒng)，將太陽光利用效率提升至50%。
通過技術(shù)混搭，普渡大學(xué)的研究者們創(chuàng)造了一個全新的概念，它混合了現(xiàn)有三種太陽能技術(shù)，分別是PV、熱電技術(shù)(TE)和聚光太陽能技術(shù)。當(dāng)然，該系統(tǒng)并不是簡單地將三種技術(shù)累加在一起，而是充分利用太陽光譜，構(gòu)建了一個完整有序的系統(tǒng)。
首先，PV太陽能電池板能將可見光與紫外線等高能光子轉(zhuǎn)化為電能，提供系統(tǒng)約20%的電能。如采用薄膜太陽能電池板，發(fā)電效率會提升至31%。同時，研究者們采用一種全新設(shè)計的“選擇性的太陽能吸收器和反射鏡”熱電裝置，能將太陽光熱低能光子轉(zhuǎn)化為電能，生成約5%的電能；與此同時，該熱電裝置通過使用鏡組聚光，將熱量收集并進(jìn)行存儲，驅(qū)動蒸汽渦輪，生成約占本系統(tǒng)25%的電能。
普渡大學(xué)電子和計算機工程學(xué)院的助理教授PeterBermel表示，“這種做法集成了現(xiàn)有的幾種使用太陽能的方法，通過使用混合系統(tǒng)，能全光譜利用太陽光線，從而提高太陽能發(fā)電效率。”據(jù)悉，該系統(tǒng)通過利用光譜分裂的優(yōu)點，提高太陽光利用效率，降低發(fā)電成本，并能顯著提高電網(wǎng)兼容性。理想狀況下，這套系統(tǒng)能在現(xiàn)有條件下利用太陽光效率超過50%，而單靠PV系統(tǒng)，效率多只有31%。
原標(biāo)題：【年末盤點】2016年太陽能光伏行業(yè)前沿技術(shù)
