李輝:像搭積木一樣組裝太陽能電池

2020-12-03 環球網

本文轉自【科技日報】;

正如在很多領域,提升效率是降低成本的有效手段一樣,對於太陽電池而言,提高光電轉換效率可有效降低單位面積光伏發電成本。然而,縱然再提高效率,單結電池也難以突破29%(矽太陽電池)的理論效率極限。

「疊層電池就像是搭積木一樣,你搭一層,再往上搭一層。由於不同半導體吸收不同波長的光,能突破單結電池的理論效率極限,具有高達46%以上的理論效率。」中國科學院電工研究所超導與能源新材料研究部副研究員李輝接受採訪時說。

近日,她和英國薩裡大學Wei Zhang合作,在國際頂級期刊、影響因子52.758的《化學評論》(Chemical Reviews)上發表了封面文章,全面論述鈣鈦礦疊層太陽電池的研究進展。

「工作和生活跟以前沒什麼兩樣,科研就像搭積木,有驚喜也有壓力。」這位榮獲過中國科學院盧嘉錫青年人才獎、北京市科學技術進步一等獎、英國皇家學會高級牛頓研究學者的80後說。

一次「失敗」的實驗,讓她有了意外的收穫

李輝說,鈣鈦礦疊層太陽電池具有轉化效率高、製備成本低、帶隙可調、結構和缺陷容忍度高等優點,能與矽電池結合,也能與銅銦鎵硒電池結合,在成本不增加的情況下,可進一步提升電池的實際光電轉化效率。

「疊層電池一層一層往上搭的時候,必須考慮下面的承受能力,比如承受的最高溫度。」李輝介紹,雖然目前市面上已有一些疊層電池,比如砷化鎵多結太陽電池,但是由於其製備要求嚴格,成本高,限制了實際應用。

早在2017年,李輝就萌生了做疊層電池的想法。2019年,在公派英國薩裡大學做訪問學者期間,她主要做疊層電池的研究。「主要是優化子電池和複合層的性能,獲得高的效率,嘗試製備出無複合層的疊層太陽電池,降低材料的製備成本。」她說。

說起來容易做起來難。「比如說銅銦鎵硒電池通常採用高溫共蒸發方法製備,獲得的多晶薄膜表面粗糙度大,就像一個個山頂與山谷,如果使用溶液法製備鈣鈦礦電池,鈣鈦礦就容易在山谷聚集,不能形成連續的薄膜,不能獲得高效的疊層電池。」李輝說。

為克服這些困難,她進行了大量的實驗。「為降低粗糙度,在底電池上獲得均勻、連續覆蓋的鈣鈦礦太陽電池,就得降低製備溫度。但溫度降低後,銅銦鎵硒電池的轉換效率也會相應地降低,這就需要在降低電池製備溫度的同時,不影響電池的轉化效率,這是一個難點。」她說。

一次「失敗」的實驗,讓她有了意外的收穫。「在一次實驗過程中,由於設備的實際溫度沒有達到設定值,製備出的電池表面粗糙度明顯降低,同時,由於摻雜了其它金屬元素,電池的轉化效率並沒有降低。」她說,這次實驗也讓她找到了製備溫度和轉化效率的完美結合點。

通過和牛津大學、薩裡大學合作,藉助理論研究,李輝他們得知銅銦鎵硒/鈣鈦礦疊層電池的最高實際效率可達30.9%。

讓科研成果走出實驗室

雖然李輝碩士、博士、博士後分別就讀於不同的高校和科研單位,但是她被傳授的研究思路是一樣的,就是找準研究方向,做出研究成果,並推動實驗成果轉移轉化,真正服務於國民經濟主戰場。

李輝介紹,鈣鈦礦疊層太陽電池從實驗室到應用還有很長一段路要走,比如要解決穩定性和環保的問題。她將繼續與大學合作,進一步提升銅銦鎵硒/鈣鈦礦疊層太陽電池的轉化效率和穩定性。

除了研究疊層電池,她還將繼續開展可應用於建築光伏一體化場景的彩色光伏薄膜的研究。

「把光伏應用到建築上,通過調控彩色光伏薄膜的顏色,達到與周圍建築的完美結合。假如說建築是藍色,我們就把膜做成藍色,前期跟企業合作開發了一些低成本顏色膜,並已得到初步應用。」她說。

此外,她還將繼續與企業合作探索適用於成果轉移轉化的產、學、研、用一體化路線,並參與光伏行業標準建立工作。

提高效率,巧妙平衡科研與家庭

「我很喜歡做研究,總能發現一些新現象,這是很欣喜的。不過搞研究,低谷時期肯定是有的,也就是短暫的幾天,找個途徑比如聽聽音樂、跑跑步發洩一下就過去了。」在問及如何平衡科研和家庭時,李輝笑了笑,「我的孩子現在讀小學,還要兼顧孩子,所以白天得提高實驗效率,晚上輔導完孩子後,我就可以看看文獻,寫點東西。」

雖然家庭會牽扯一部分精力,但李輝認為,女性搞科研也有優勢。「像我們這些搞研究的,設計好了一個實驗,一般會有期望的結果,但在實驗的過程當中,可能遇到一些你意想不到的情況。如果能捕捉到這些數據,可能就能獲得比預期更好的結果,就像居裡夫人偶然間發現鐳一樣。往往女性更細心,更能捕捉和發現一些細節。」她說。

相關焦點

  • 太陽能電池與太陽能電池組件有何區別
    太陽能電池模塊:是指太陽能電池組裝的矽片。太陽能電池:包括太陽能組件的整個部件。太陽能電池組件由高效晶體矽太陽能電池片、超白回火玻璃、EVA、透明TPT背板、鋁合金框架組成。使用壽命長,機械壓力大,外力大。
  • 薄膜太陽能電池優缺點_薄膜太陽能電池的生產
    薄膜太陽能電池優缺點   薄膜型太陽能電池由於使用材料較少,就每一模塊的成本而言比起堆積型太陽能電池有著明顯的減少,製造程序上所需的能量也較堆積型太陽能電池來的小,它同時也擁有整合型式的連接模塊,如此一來便可省下了獨立模塊所需在固定和內部連接的成本。
  • 太陽能電池材料新突破:鈣鈦礦太陽能電池
    太陽能電池材料新突破:鈣鈦礦太陽能電池 學術頭條 發表於 2020-11-30 13:56:21 當前,大多數常用的太陽能電池都是以矽材料為基礎製成的,因為矽這種材料可以將太陽能轉化為清潔的電能
  • 世界最高效太陽能電池即將誕生
    北極星太陽能光伏網訊:據物理學家組織網12日報導,美國科學家設計出了一款新型太陽能電池並製造出了模型。這種太陽能電池整合了多塊電池,這些電池堆疊成能捕獲太陽光譜幾乎所有能量的單個設備,可將44.5%的直射太陽光轉化為電力,有潛力成為世界上最高效的太陽能電池,而目前大多數太陽能電池的光電轉化效率僅為25%。
  • 漢高新型導電膠,專為下一代太陽能設備組裝而設計
    據悉,這款產品專為輔助低成本、可靠性經過改善且工藝流程適應性高的太陽能設備組裝而設計。樂泰(Loctite) ABLESTIK ICP 8000系列導電粘合劑為提高組件性能,並適應包括電池互聯帶焊接和疊瓦式太陽能組件在內的組裝工藝流程而專門設計。
  • 新型柔性太陽能電池可在太空中像畫卷一樣展開
    ,2020年1月5日成功完成了關鍵技術試驗,在國際上首次實現了基於形狀記憶聚合物複合材料結構的柔性太陽能電池的在軌可控展開。總體單位認為,該系統解決了柔性太陽能電池的地面捲曲鎖緊-在軌可控展開-展開後高剛度可承載的難題。未來下一代大型或超大型空間結構對能源系統提出了極高的要求,柔性太陽能電池作為太陽能電池發展的新趨勢之一,具有質量輕、柔韌性好、收納比高等優點,但在航天應用過程中存在收攏鎖緊、驅動展開和展開後剛度較低等難題。
  • 「印刷術」突破柔性鈣鈦礦太陽能電池難題—新聞—科學網
    2017年12月29日,在中科院化學所綠色印刷重點實驗室裡,研究人員向《中國科學報》記者展示了他們最新製備的鈣鈦礦柔性太陽能電池,厚度和柔韌程度與一張雜誌紙差不多。三年來,他們利用「印刷術」突破了柔性鈣鈦礦太陽能電池難題,有望為柔性可穿戴電子設備提供可靠電源。日前,這一成果在國際學術期刊《先進材料》(Adv. Mater.)上刊發。
  • 基於光合作用原理,葉綠素也能製備太陽能電池
    近日,吉林大學物理學院的研究人員與日本立命館大學、長浜生物科學技術大學的研究團隊合作,開發出了兩種不同結構的雙層或三層全葉綠素的生物太陽能電池,僅由葉綠素衍生物作為光敏材料的生物太陽能電池,實現了4.2%的高光電轉換效率,相關研究成果已發表於《ACS Energy Letters》雜誌。
  • NRL:獲太陽能微生物燃料電池專利
    NRL:獲太陽能微生物燃料電池專利 來源:蓋世汽車網   發布者:尹海華   日期:2017-07-12   今日/總瀏覽:1/2984
  • 基於光合作用原理 葉綠素也能製備太陽能電池
    近日,吉林大學物理學院的研究人員與日本立命館大學、長浜生物科學技術大學的研究團隊合作,開發出了兩種不同結構的雙層或三層全葉綠素的生物太陽能電池,僅由葉綠素衍生物作為光敏材料的生物太陽能電池,實現了4.2%的高光電轉換效率,相關研究成果已發表於《ACS Energy Letters》雜誌。
  • 技術|染料敏化太陽能電池
    阿姚米·佩雷拉(Ayomi Perera)是斯裡蘭卡(Sri Lanka)的化學博士生,他的工作是在化學教授斯特凡·博斯曼(Stefan Bossmann)指導下,改進染料敏化太陽能電池(dye-sensitized solar cells)。這種電池是一種太陽能技術,使用染料,從陽光中吸收能量,製成一種替代能源產品,可取代化石燃料,而且更環保。
  • 幸運的少數:用葉綠素造太陽能電池
    日前,吉林大學物理學院教授王曉峰課題組與日本立命館大學、長浜生物科學技術大學的研究團隊合作,開發出了兩種不同結構的雙層或三層全葉綠素的生物太陽能電池,僅由葉綠素衍生物作為光敏材料的生物太陽能電池,實現了4.2%的高光電轉換效率。相關論文已發表於ACS Energy Letters。
  • 詳細分析太陽能電池技術
    然後採用絲網印刷法做成柵線,經過燒結工藝製成背電極,單晶矽太陽能電池的單體片就製成了。單體片即可按所需要的規格用串聯和並聯的方法組裝成太陽能電池組件(太陽能電池板),構成一定的輸出電壓和電流。最後用框架進行封裝,將太陽能電池組件組成各種大小不同的太陽能電池陣列。
  • 美觀與節能並存 瑞士高山水庫設置漂浮太陽能電池板站
    當地時間2019年10月8日,瑞士Bourg-Saint-Pierre,工人在高山水庫湖圖勒湖(Lac des Toules)上組裝帶有太陽能電池板的駁船。當地正在圖勒湖上鋪設漂浮太陽能電池板站,該電池板站由36艘駁船組成,共將放置2240平方米的太陽能電池,其目標是每年輸送800000千瓦時的電力,這相當於約220戶家庭的年耗電量。當地時間2019年10月8日,瑞士Bourg-Saint-Pierre,工人在高山水庫湖圖勒湖(Lac des Toules)上組裝帶有太陽能電池板的駁船。
  • 太陽能電池如何柔為美
    才可以獲得大面積的高光電轉換效率的鈣鈦礦太陽能電池。柔性太陽能電池的一個重要應用領域是光伏建築一體化,高柔性和輕質化使得它可以集成在窗戶、屋頂、外牆或內牆上。此外,柔性太陽能電池還可以廣泛應用於背包、帳篷、汽車、帆船甚至飛機上,為各種可攜式電子及通信設備、交通工具提供輕便的清潔能源。
  • 太陽能電池組件裡的構造
    太陽能電池組件裡的構造 發布時間:2016-11-03   來源:匯能網 製作太陽能電池主要是以矽晶為主要原料,而這種新型太陽能電池的發明是受到植物光合作用的啟發,參照葉綠素可以把光原子轉換成能量的原理
  • 我國太陽能電池材料的發展路徑
    單晶矽所用原料純度高,製造工藝複雜,電耗很大,佔太陽能電池生產總成本的54.6%。單晶矽棒呈圓柱狀,切割成太陽能電池片的四角亦為圓弧,電池片組裝時平面利用率低。諸多因素導致單晶矽太陽能電池價格居高不下,如何降低單晶矽材料生產成本是促進單晶矽太陽能電池大規模使用的關鍵。
  • 未來的太陽能電池:提高有機太陽能電池效率的系統
    與由晶體矽製成的有機太陽能電池相比,有機太陽能電池的生產成本更低且更具柔性在紐倫堡Energie Campus(EnCN)開發的多電池模塊的表面積為26cm 。Brabec教授說:「如果我們在實驗室中能達到20%以上,那麼在實踐中我們可能會達到15%,並成為矽太陽能電池的真正競爭者。」 製造過程中的靈活應用和高能效 有機太陽能電池的優勢是顯而易見的-它們像箔一樣薄且柔軟,可以適應各種基材。
  • 單晶矽、多晶矽及非晶矽太陽能電池的區別
    北極星太陽能光伏網訊:太陽電池最早問世的是單晶矽太陽電池。矽是地球上極豐富的一種元素,幾乎遍地都有矽的存在,可說是取之不盡,用矽來製造太陽電池,原料可謂不缺。但是提煉它卻不容易,所以人們在生產單晶矽太陽電池的同時,又研究了多晶矽太陽電池和非晶矽太陽電池,至今商業規模生產的太陽電池,還沒有跳出矽的系列。
  • 孫豔明:自組裝納米纖維提高有機太陽能電池對活性層厚度的適應性
    有機太陽能電池(OSCs)的工業印刷生產要求活性層材料具有高光電轉換效率(PCE),且對活性層厚度具有廣泛的適應性。最近,北京航天航空大學孫豔明教授證明了採用聚合物纖維網絡策略可以製備高效率的厚膜OSCs,該策略包括一個可以自組裝成纖維納米結構的給體聚合物(PT2)和兩個具有不同結晶性質的非富勒烯受體。