光伏技术如何发展以及纳米技术为何影响未来


来源:   时间:2020-06-04 10:45:13


在过去的日子里,从阿兹台克人到古埃及人的许多古代文明都将太阳视为可以赋予繁荣并维持昼夜周期秩序的神灵或神灵。在今天稍微开明的时代,我们再次仰望太阳。如果我们能有效地利用它,它就不是神灵,而是一种可持续的能源。在这里,纳米技术研究公司Nextgen Nano的首席技术官Franky So博士解释了光伏技术的历史发展,并展望了塑造未来几年的创新。

作为离地球最近的恒星,我们对太阳的贡献很大。它不仅使我们和我们的宇宙邻居处于一个始终如一的轨道上,从而为我们所知的生活创造了条件,而且还为我们提供了巨大的能源。每天的每一小时,太阳都以430亿兆焦耳的能量撞击地球。这是巨大的能量。就上下文而言,如果我们能够将所有这些能源作为电力加以利用,那就足以满足世界范围内的全球能源需求。

意识到这一点,太阳能技术带来的机会同样巨大。自从1839年埃德蒙·贝克勒尔(Edmond Becquerel)首次观察到光伏效应(PV)以来,我们就已经意识到人类可以每天利用太阳释放的能量的方式。自1954年发明以来,PV面板一直是我们做到这一点的主要手段,并取得了不同程度的成功和效率。

但是,近年来,人们对高效和商业可行的光伏技术进行了更多研究。人类共同加速了自然资源的枯竭,将其用作能源,与这些资源的使用有关的环境变化增加了对可持续能源生产的需求。

太阳能技术的诞生

为了使PV电池正常工作,需要执行三个特定过程。首先,细胞需要吸收半导体材料中的光子。然后,这些光子激发半导体材料中的电荷载流子,随后将其从电池中提取到电极上,从而产生电流。为了将此电流转换为电能,所产生的直流电(DC)流经逆变器,然后将其转换成交流电(AC)进行消耗。

贝尔实验室(Bell Labs)在1954年生产出第一个实现太阳能收集的光伏电池。该面板将太阳光转化为电能的效率为6%,这意味着它只能成功地将一小部分光子转化为电能。尽管如此,它标志着第一代太阳能技术的诞生。

第一代PV面板由基于晶片的电池组成,通常使用诸如结晶硅之类的材料制成。这些面板的整体设计基于单个pn结的设计,其中正(p)和负(n)型半导体材料形成“结”。在“ n掺杂”材料中,存在负电荷,而在“ p掺杂”层中存在正电荷。这会在各层之间的结处产生电场,从而将光生电荷载流子推出pn结并推向电极。

第二代

发展一直持续到21世纪,1999年开发出的太阳能电池在实验室环境中的效率为33%。第二代太阳能技术诞生于1980年代,有望克服其前辈引入的一些技术和物理限制30年前。

在第一代主要基于硅的地方,这种新一代电池使用的材料范围更加广泛,从非晶硅电池到碲化镉。由于与硅相比具有很强的光吸收性,所以它们就是“薄膜太阳能电池”,因为这些材料的薄层可以沉积在玻璃或塑料等基材上。

两代产品之间的主要区别在于,后者电池的体积更薄,因此可以设计出新的PV面板,从而可以克服理论上的Shockley-Queisser限制。这主要是通过引入多种光敏材料来创建多结电池并扩展最终电池的光谱响应并提高功率转换效率来实现的。

当然,第二代太阳能有其自身的实际局限性。第二代PV面板中的基板材料仍然不灵活,并且根据覆盖区和材料的不同,电流效率在20%到30%的范围内,需要相当大的表面积。此外,所用的某些材料(例如镉,被认为对人类具有致癌性)在回收过程中或暴露于某些环境条件下会产生有毒的副产物。

这对光伏板的设计提出了挑战。除了作为可持续能源之外,如果太阳能电池板对环境友好,并且对人类和环境无毒,那将是理想的选择。这刺激了对第三代太阳能的研究,并且研究看起来很有希望。

下一代太阳能

第三代太阳能技术结合了几种类型的太阳能技术,最著名的是有机光伏(OPV)电池,旨在提供更高的效率,同时减少光伏面板的整体环境影响。Nextgen Nano的研究人员一直在探索这项技术,其目标是使用纳米技术开发高效,灵活的有机太阳能电池,以支持分散能源的努力。

这项研究的结果是PolyPower,它混合了对地球友好的有机材料,从而为太阳能收集提供了一种轻巧,灵活且潜在廉价的方法。该技术在保持坚固的同时实现了这些特性,从而减轻了与脆性板相关的问题。

实际上,由于PolyPower是在具有透明度和柔韧性的纳米级上开发的,因此可以作为半透明薄层有效地应用于建筑物,窗户甚至车辆屋顶的表面。这些应用可以将有机聚合物太阳能电池作为设计功能,使它们可以在户外使用时充电,而无需使用集中式电源。

这是我们看到太阳能技术的未来的地方。从历史上看,PV面板由于其机械性能而受到很大的限制。利用纳米技术,下一代太阳能可以克服这些挑战并打开无限的可能性。所提供的机会意味着我们可以在以前不可行的应用中有效利用太阳能。

我们不再将太阳视为神圣的神灵,但是也没有低估太阳在未来能源生产中的重要性。从本质上讲,它是一种宇宙电池,几乎拥有无尽的能量,并且剩余了(大约)一百亿年的运行时间的一半。我们需要的是正确的技术,以合乎道德,环保和适应未来几年出现的应用和行业的方式,利用这种潜在能量。

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