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太阳能的使用正在全球范围内扩大,但硅太阳能电池的效率在过去几十年中取得的进展很小吗

钙钛矿太阳能电池是高效太阳能发电的答案吗

如今的常规太阳能电池由硅制成,其功率转换效率在低至20%的范围内停滞了大约15年

这可能会让您感到奇怪,因为从国家可再生能源实验室(NREL)那里瞥见数据可以看出理论上的效率接近50%报告自1976年以来国家可再生能源实验室提出的太阳能电池能量转换效率时间表太阳能效率是指通过使用光伏技术将太阳能的哪一部分转化为电力那么为什么我们仍然使用看似可能的东西恐龙技术何时依赖低效硅太阳能电池

像往常一样,在应用(在现实世界的背景下)和理论(认为理想化的无菌实验室条件)之间存在差距

例如,夏普公司在2013年4月宣布他们已经实现了世界上最高的太阳能电池转换效率(444%)与它们的聚光器三结复合太阳能电池这些高效太阳能电池采用专有技术制造,利用三个由几种元素组成的光吸收层 - 包括铟镓砷,铟和镓基于透镜的聚光器系统将太阳光聚焦在电池产生功率444%似乎比目前市场上使用的典型硅电池有了巨大的改进,但是一个太阳能电池的尺寸仅为0165 cm2

这就是问题的主要原因:保持太阳能电池的效率,同时增加其表面区域是一个史诗问题的工程项目据英国可再生能源办公室前主席Bernie Bulki说例如,将铜铟镓硒(CIGS)太阳能电池的尺寸缩小到可用的尺寸将花费大约10亿美元

那么我们如何保持光伏太阳能电池的高效率同时扩大其表面积并使用它受天气条件影响的外部环境 - 雷声,闪电或下雨以及麦克白巫师宣称的其他任何东西

生产高效,可扩展的光伏太阳能电池的答案可能在于钙钛矿太阳能电池技术的发展

钙钛矿不是俄罗斯的美食,与其名称可能暗示的相反,是立方八面体晶体 - 其角落被切断的立方体 - 和有六个八角形和八个三角形面它们是一类广泛的材料,其中碳和氢(和其他有机分子)通过与金属(如铅)和卤素(如氯)结合形成三维晶格首次推出时,钙钛矿太阳能电池技术具有令人尴尬的低太阳能效率2009年,由铅,碘化物和甲基铵组成的钙钛矿太阳能电池将约38%的太阳光转化为可用电力但该技术一直顽强:钙钛矿太阳能效率到2014年飙升至约20%这些钙钛矿的改善速度非常快 - 部分原因在于在组装钙钛矿太阳能电池的三维晶格配方时,数以千计的化学成分是可能的

钙钛矿自然地作为矿物质 - 钙钛氧化物发生 - 但是其他元素的组合可以采用完全相同的形状因此科学家们可以尝试不同的化学品组合物看哪些元素最终吸收哪种频率的光最有效地钙钛矿存在于传统硅太阳能电池上的各种优点虽然二氧化硅(SiO2)以沙滩形式存在,但分离附着在硅上的氧分子需要巨大的能量需要在1500至2000摄氏度的高温下在电极电弧炉中熔化二氧化硅,这反过来会释放更多的二氧化碳排放到大气中,并且还对硅太阳能电池的生产成本产生基本限制此外,钙钛矿太阳能c ells可以以低得多的成本制造

事实上,博士 牛津大学的Henry Snaith和Oxford Photovoltaics的联合创始人在2012年预测,使用钙钛矿最终会将太阳能成本降低四分之三

这将威胁化石燃料在电源市场上的商业优势数十年来的另一个复杂因素硅光伏电池的重量和刚性;如在屋顶和太阳能农场等大型设施中看到的那样,它们在大型厚板中平放时工作效率最高这些重型面板有助于组装硅光伏阵列和模块的高成本通过混合批量的液体解决方案,制造商可以在任何类型的形状上沉积轻质薄膜钙钛矿,不使用电极电弧炉这样就消除了有毒温室气体生产的高生产成本到目前为止,钙钛矿比硅光伏电池更具成本效益,二氧化碳的释放对全球变暖没有贡献,而且更灵活,更易于管理那么转换效率如何呢

由于结合材料可以捕获更广泛的太阳光谱(意味着光子属于各种可见光波长),一些研究人员一直致力于创造一种“多结电池” - 钙钛矿与硅的组合例如,甲基铵三卤化钙铅和硅太阳能电池可以形成高效的一对:顶层的钙钛矿太阳能电池设计用于捕获短波长光子,底部的硅太阳能电池专注于捕获更长波长的光子2015年,斯坦福大学的一个研究小组发表了“能源与环境科学”杂志的研究报告,表明在硅电池上堆叠钙钛矿可以提高太阳能系统的整体效率通过将效率为114%的硅电池与127%效率的钙钛矿相结合,斯坦福大学由Michael McGehee领导的大学研究团队创造了一个17%效率的混合太阳能电池,但迈克尔麦克Gehee悲观地补充说,他们有“方法表明钙钛矿太阳能电池稳定到足以维持25年”2016年4月,香港理工大学取得了新的突破:世界上最高的功率转换效率为255%随着钙钛矿硅太阳能电池的发展,由Charles Chee Surya教授和电子与信息工程系能源教授Clarea Au教授领导,该研究的目标一直致力于开发创新方法来提高太阳能转换效率这可以降低每瓦05美元的公用事业成本 - 硅太阳能电池产生的平均电力成本 - 每瓦035美元香港理工大学的研究能够通过新的创新方式实现这种高效率 - 包括组装钙钛矿层由三氧化钼,金和三氧化钼制成,每个都设计有优化的厚度t这些材料的透光性优化了光通过钙钛矿三层的通道,以便被吸收到太阳能电池底部的硅部分

光伏电池的硅部分由硅效率专家孙逸教授设计 - 森大学和顺德中山大学太阳能研究所增加了研究提高能量转换效率的能力是增加了低温退火工艺,最大限度地减少了钙钛矿材料中缺陷的影响,以及开发雾霾薄膜旨在为每个太阳能电池捕获更多光线牛津光伏发电联合创始人Henry Snaith博士于2015年3月宣布钙钛矿太阳能技术将于2017年投放市场牛津Photovoltaics在钙钛矿方面有很大的梦想他们的计划包括利用该材料的透明度和涂层办公楼与钙钛矿太阳能电池据估计,这个建筑理念,与Polysar将建筑物变成发电厂的计划不同,将允许伦敦35层高的建筑产生约60%的电力

钙钛矿太阳能电池现在与硅电池竞争效率高的事实很了不起 达到20%的效率(更不用说25%)是太阳能技术的一个里程碑,也是其他类型的太阳能电池需要数十年才能实现的目标虽然硅太阳能电池现在被认为是一项成熟的技术,但钙钛矿的进步仍在继续开花七年来,钙钛矿太阳能电池的效率提高了五倍,并且在过去两年中翻了一番很多人预测它们的效率将在未来几年内达到新的高度仍然需要用钙钛矿解决问题,例如它们在天气条件下的耐久性硅光伏电池非常耐用,而钙钛矿表兄弟则不然

这些仍然容易受到水,空气和光的影响事实上,它们的快速降解解释了为什么上面的NREL能量图标记钙钛矿“不稳定”此外,如何以与硅竞争的方式大量生产钙钛矿太阳能电池的问题技术仍然是一个问号但即使是钙钛矿太阳能电池的小型供应也可以帮助将太阳能发电带到尚未连接到任何电网的发展中地区,其能源转换效率呈指数增长,生产成本低,环保工程方法钙钛矿太阳能电池的“变形”灵活能力是充满希望和光明的潜力所以谁知道 - 笨重,坚硬的硅光伏电池卡在他们沉重的框架中,在浩瀚无边无际的田野中蔓延可能很快就会成为过去的照片来源:根据CC许可了解更多关于UnderstandingSolarcom的帖子这篇文章是由其作家之一Kat博士撰写的

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