太陽(yáng)能電池技術(shù)的成熟與發(fā)展
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-03-14 09:52
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由于新的技術(shù)發(fā)展，太陽(yáng)能電池的效率穩(wěn)步提高，而生產(chǎn)成本繼續(xù)下降。太陽(yáng)能電池將陽(yáng)光直接轉(zhuǎn)化成電：如果光子，形成在合適的材料吸收的光的粒子陽(yáng)性和陰性電荷載流子被傳輸?shù)教?yáng)能電池的電極上，并因此產(chǎn)生一個(gè)電壓。
多年來(lái)，光伏發(fā)電對(duì)發(fā)電的重要性迅速增加，同時(shí)成本下降。自2000年以來(lái)，世界市場(chǎng)每年平均增長(zhǎng)44％。在同一時(shí)期，太陽(yáng)能組件的價(jià)格下降了約90％，每瓦安裝不到50美分。截至2014年底，全球光伏系統(tǒng)的裝機(jī)容量總計(jì)183千兆瓦，其中略超過(guò)五分之一。目前，硅基太陽(yáng)能電池的市場(chǎng)份額為92％，效率在21％至26％之間。
不到90％，自20世紀(jì)90年代以來(lái)的生產(chǎn)重點(diǎn)已從歐洲和美國(guó)轉(zhuǎn)移到亞洲，特別是中國(guó)和臺(tái)灣。在歐洲，2014年生產(chǎn)了6％，美國(guó)和日本各生產(chǎn)了4％。盡管如此，德國(guó)研究機(jī)構(gòu)仍然在開發(fā)更高效的太陽(yáng)能電池和新電池概念以及優(yōu)化模塊生產(chǎn)方面占據(jù)全球領(lǐng)先地位。例如，太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所憑借由化合物半導(dǎo)體制成的四重太陽(yáng)能電池，效率創(chuàng)下了46％的世界紀(jì)錄。
除了用于大規(guī)模生產(chǎn)太陽(yáng)能電池組件的與間隔材料的最重要的硅，是合適的化合物半導(dǎo)體，例如碲化鎘，銅銦鎵硒化物和砷化鎵，一些有機(jī)化合物或供能的光電轉(zhuǎn)換鈣鈦礦型結(jié)晶含鉛。這種多樣性打開下一個(gè)剛性細(xì)胞用于太陽(yáng)能公園額外的應(yīng)用，例如彈性，集成到服裝發(fā)電機(jī)和Windows低印刷或透明的太陽(yáng)能模塊。
硅太陽(yáng)能電池的主導(dǎo)地位并非巧合。綁定到二氧化硅，沙或石英的形式，或硅酸鹽熔體，它是在地殼中最豐富的元素，適用于全球和相對(duì)便宜。由于計(jì)算機(jī)行業(yè)的發(fā)展，純硅的加工已經(jīng)走過(guò)了漫長(zhǎng)的道路，太陽(yáng)能電池制造商可以在早期大量使用這種材料。復(fù)雜的太陽(yáng)能電池，包括一個(gè)特殊結(jié)構(gòu)的硅層，以更好地吸收光，使用380至1150納米的大部分太陽(yáng)光譜發(fā)電。
目前最好的電池由單晶硅組成，在實(shí)驗(yàn)室中效率為25.6％，在太陽(yáng)能電池模塊中效率為22.9％。為了實(shí)現(xiàn)這些相對(duì)較高的值，近年來(lái)細(xì)胞生產(chǎn)得到了改善。因此，硅太陽(yáng)能電池的背面用諸如氧化鋁的介電材料保護(hù)。該層有效地阻止了太陽(yáng)能電池中正負(fù)電荷載流子的不希望的重組。在前面，晶格型磷摻雜金屬電極提高了效率，因?yàn)橛捎诠杞缑嫣幍碾娮栎^低，所產(chǎn)生的電子可以更好地流動(dòng)。在制造中，正面與電極的接觸，它們從后面穿過(guò)細(xì)胞。結(jié)果，電極屏蔽較少的電池區(qū)域免受陽(yáng)光照射，并且每個(gè)區(qū)域的電流效率增加。
然而，目前生產(chǎn)的硅太陽(yáng)能電池中有一半以上使用多晶硅。這是為了制造顯著較不昂貴，所以從20.8％和在模塊中18.5％的電流最大值的降低的效率被接受。成本下降不僅僅是由于成熟的大規(guī)模生產(chǎn)。而且，純單晶硅或多晶硅中材料的使用減少了一半以上。因此，在硅層現(xiàn)在只有180微米厚，而不是400微米在1990年和300微米的硅太陽(yáng)能電池在2004年進(jìn)一步降低成本可在生產(chǎn)的優(yōu)化可以預(yù)料的，不傾向于在效率顯著增加。硅的理論最大可實(shí)現(xiàn)效率為29％，因?yàn)樵摬牧喜晃仗?yáng)光中的長(zhǎng)波光子。
其實(shí)這可能是一種錯(cuò)覺(jué)，電池技術(shù)并非是停滯不前，而是在時(shí)刻更新著，從幾年前的諾基亞到今天的安卓手機(jī)，硬件的提升，屏幕的變大，所消耗的電量也是成倍增加的。以前的諾基亞可以待機(jī)兩天，今天的手機(jī)同樣可以做到?？紤]到耗電的增加，還能維持同樣的使用時(shí)間，電池技術(shù)肯定是在不斷提升的，只不過(guò)在這種技術(shù)上確實(shí)沒(méi)有大的跨越。
可以看到，今年的新款手機(jī)對(duì)比十年前的手機(jī)，電池容量只增長(zhǎng)了1倍多而已。
與電池技術(shù)形成反差的是，十年來(lái)其他數(shù)碼電子設(shè)備的運(yùn)行內(nèi)存和cpu則今夕不同往日了，畢竟半導(dǎo)體技術(shù)進(jìn)步是非?？斓?。
以處理器（cpu）行業(yè)為例，英特爾公司的電腦處理器經(jīng)常被網(wǎng)友戲稱“擠牙膏”，因?yàn)槠涮幚砥髅看胃聯(lián)Q代對(duì)僅對(duì)性能進(jìn)行小幅度的提升，倒是為英特爾鳴不平，因?yàn)閷?duì)比各種智能設(shè)備的電池來(lái)說(shuō)，英特爾真的算是厚道了。
盡管英特爾處理器性能每代提升不算大，但是多年來(lái)能效、工藝還是有長(zhǎng)足進(jìn)步的，如果說(shuō)英特爾一直在吃老本，那可真是冤枉這家處理器廠商了。如今的四核奔騰處理器TDP功耗低至10W（以Pentium Sliver J5005），但是經(jīng)過(guò)性能評(píng)測(cè)后，發(fā)現(xiàn)已經(jīng)超過(guò)了10年前的Quad Q6600處理器了，后者TDP功耗105W，也就是僅用了10%的能耗性能就打平了。
類似的還有內(nèi)存產(chǎn)品，還記得當(dāng)年256MB都可以很流暢運(yùn)行Windows xp嗎，如今連手機(jī)的運(yùn)行內(nèi)存都是4GB起步了，而且當(dāng)時(shí)的內(nèi)存頻率和能效也是遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上今天的。
鋰電池技術(shù)性能的瓶頸，不僅影響了手機(jī)，筆記本電腦的續(xù)航能力，在電動(dòng)汽車行業(yè)可能是更為明顯。
以上是續(xù)航排名靠前的幾款電動(dòng)車?yán)m(xù)航對(duì)比，可以看到，即使像特斯拉這樣的行業(yè)大佬，續(xù)航里程也不過(guò)幾百公里，電池技術(shù)的制約是毋庸置疑的。其實(shí)電動(dòng)汽車未達(dá)到完全普及的程度，電池可以說(shuō)是很大的一個(gè)原因，制造成本下不來(lái)，容量也上不去，這導(dǎo)致買車，充電都是一件頭疼的事。
為什么電池技術(shù)提升這么難呢？
是研發(fā)者和廠家沒(méi)有改善的動(dòng)力嗎？這個(gè)應(yīng)該不太可能，如今這個(gè)行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)激烈，行業(yè)大鱷們都渴求更高性能的電池，如果誰(shuí)有能力突破此項(xiàng)技術(shù)，利潤(rùn)回報(bào)無(wú)疑是巨大的。之所以提升很難，可能受制于材料的限制，畢竟鋰電池的制造，受到能量密度和鋰元素本身的限制，所以始終無(wú)法大的跨越。
