染料敏化太陽能電池技術的介紹

染料敏化太陽能電池技術的介紹

電子設計 發表於 2019-03-27 08:03:00

人們普遍認為，太陽能電池可以大致分為三個技術「代」之一。第一代電池是結晶的。第二代電池是矽和其他材料的非晶薄膜，旨在降低通常與傳統半導體晶片生產相關的成本。但是，第三代技術的定義不太清楚，「第三代」的名稱通常僅限於所謂的新興技術。該組有時被描述為包括能夠克服單個結器件的Shockley-Queisser功率轉換效率極限（33.7％）的任何技術。大多數技術人員還將包括廣泛的其他轉換設備，包括非半導體，如聚合物和染料敏化電池，由傳統材料堆疊（如非晶矽或砷化鎵）和納米技術構建的串聯電池。

現在讓我們來看看仔細研究一下「第三代太陽能電池」成員的候選人。

染料敏化太陽能電池（DSC或DSSC）源自光合作用研究（圖1）。在20世紀60年代後期，在研究從植物中提取的葉綠素時，伯克利的研究人員意識到有機染料可以在電化學電池的氧化物電極上產生電能。增加電荷收集的表面積被認為是提高電池效率的途徑。最終，瑞士洛桑聯邦理工學院的一個團隊發現二氧化鈦（Ti2O）是理想的陽極材料。這種基本的電池設計現在是大多數DSSC研究的基礎，並且在其發明者之後被稱為Grätzell電池。

圖1：染料敏化太陽能電池示意圖（由SPIE提供）。

DSSC可以通過改性有機染料來適應服務中預期的光照條件。這些常見的化學物質已被很好地理解，其發展可追溯到紡織工業的早期階段。 DSSC的第二個主要成分是TiO2。這種材料也很豐富，因為它是許多應用的首選白色顏料，從油漆到紙張，甚至是牙膏。極端白色是由於高折射率導致使用TiO2作為光學塗層材料以及許多防曬乳液中的封閉劑。

由於TiO2作為一種廣泛可用，易於生產，價格低廉且特性良好的材料，染料敏化太陽能電池作為第三代電池研究的目標已經變得非常流行。

TiO2天然形成非常多孔的層，導致陽極表面積高，從而提高電池效率。但是對這種材料的更有針對性的研究已經導致更高的表面積層。納米技術研究人員已經開發出TiO2加工技術，以創造出許多不同的納米結構材料。 TiO2在納米管和納米線形式中相對容易生產，非常適合於最大化DSSC器件的效率。

許多新興電池類型與傳統矽光電池相比具有明顯的優勢，特別是在建築集成光伏（BIPV）應用和基板靈活性非常重要的應用中。但是，仍有一些問題需要解決。例如，與競爭對手相比，DSC電池往往具有較短的壽命和其他可靠性問題。雖然DSSC在第三代技術方面處於領先地位，其頂級電池效率超過11％，但將其推向商業化的有用範圍，自20世紀90年代末以來進展相對平穩。幸運的是，最近出現了其他納米結構器件，並且其短壽命顯示出非常快速的改善（圖2）。

圖2：技術和年份太陽能電池效率的趨勢（由NREL提供）。

納米結構的效用不僅限於它們為染料敏化太陽能電池提供的有效面積改進。粒子的大小實際上可用於設計材料的屬性。由於電荷載體是物理限制的，因此可以嚴格控制它們的相互作用以影響材料的整體性質。量子點是這些納米結構的一類，其允許材料的極小島的尺寸被用作器件性質的設計參數。多年來一直參與量子點研究的學術團體位於多倫多大學。由Ted Sargent教授領導的團隊一直在為許多應用開發量子點技術。 Sargent集團最近通過設定量子點太陽能電池的效率記錄，在光伏器件方面取得了突破。

Sargent Group的研究重點是膠體量子點（CQD）光伏技術。在他們的CQD技術中，硫化鉛（PbS）納米顆粒懸浮在載液中。將膠體懸浮液施加到基材上是通過旋塗或噴塗。因此，CQD光伏通常被稱為「太陽能塗料」。

即使是薄膜光伏技術的後沿，Sargent團隊還有很長的路要走。但是他們的設備非常接近。自從達到5.1％的效率記錄以來，持續改進可能是為了使「太陽能塗料」可以服務的市場具有競爭力所必需的。例如，可以塗覆多個層，每個粒度適合於給定波長，以獲得更多的陽光中包含的能譜。即使對於太陽能塗料，似乎許多薄塗層比一層厚塗層更好。量子點光伏的商業化可能不依賴於未來的革命性發現，但如果確實出現這種情況，那麼太陽能塗料可能會開始取代主導當前市場的晶體器件。

矽光伏生命在其中留下了生命

儘管新興的太陽能收集技術有很大的前景，但許多傳統技術在未來幾年仍將繼續保持市場可行性。考慮非晶矽可能的面板形狀因數範圍。用於AM-1456CA的Sanyo薄膜器件為10 mm×25 mm，AM-5902CAR為30 mm×37.5 mm，而實用規模的面板則由儀表測量並由同一批量生產設備驅動。大型平板電視的普及。

晶體矽器件也是多種多樣的。 IXYS的Ixolar系列（圖3）提供22％的電池效率，具有多種模塊配置，例如較大的SLMD481H12 78 mm×90 mm，具有全功率峰值輸出功率。

圖3：Ixolar SLMD481H12太陽能電池（由IXYS提供）。

不要等待

1954年，貝爾實驗室開創了第一個太陽能電池，使用價值12，000美元的這些設備來運行普通的家用烤麵包機。現在，經過幾十年的研究和進步，只能被描述為「不到摩爾定律的步伐」，我們似乎終於處於實現第三代光伏技術的邊緣，以捕捉太陽的無限能量。因此，涉及能量收集的設計工程師或採購經理必須考慮的問題是：我是否應該推遲等待下一代太陽能電池的購買決策？總之，答案是否定的。儘管在本十年結束之前很有可能取得重大突破，但在第三代太陽能電池離開實驗室並進入一天工作世界之前還有很多工作要做。在此期間，您可以找到適合您能量收集設計需求的精選當前產品。

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