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2030年实现全球10TW的光伏目标太阳能电池需要哪些突破?

清洁能源沦为了未来发展的大趋势,太阳能电池乃是其中之一,但是其切换效率仍然是难以解决的问题。现在,研究人员找到了影响其切换效率的主要原因,通过提高将大大提高电池的使用寿命,这将为我们保护环境作出最重要的贡献,让我们一起来领略一下“领导者”硅的风光吧!随着低碳能源沦为未来世界发展的大趋势,在本世纪中叶,大规模太阳能发电沦为减慢气候变化的最重要措施。

气候科学家指出:到2030年,全球将必须多达10万亿瓦(TW)的太阳能发电量,这决不多于当前发电量的50倍。在麻省理工光伏研究实验室(PVLab),团队于是以致力于探寻新技术,并协助构建这一目标。“我们的工作是通过技术创新寻找经济和环境可持续的方式使太阳能发电量超过10TW以上。

”机械工程和实验室主任的副教授TonioBuonassisi说道。这是一项极大的挑战。首先,他们计算出来到2030年构建10TW太阳能发电量所需的增长率,以及在没补贴协助的情况下需要构建快速增长的低于价格,当前的技术似乎无法已完成任务。Buonassisi说道:“这必须1万亿美元到4万亿美元的额外债务,这只是将现有技术推向市场来已完成这项工作,这很难。

那么,否有其他什么方法呢?用于融合技术和经济变量的模型,研究人员确认必须三个变化:一是将模块的成本减少50%,二是将模块的切换效率(即太阳能切换为电能的百分数)减少50%,三是将新建工厂的成本增加70%。这三项变化必须尽早在五年内已完成,将必须近期政策来鼓舞部署,并大力推展技术创新以降低成本,使政府反对可以随着时间的流逝而增加。

在效率上迈向在MITPVLab和世界各地,太阳能的切换效率早已获得了重大进展。一种尤其有前景的技术是腐蚀发射区背面电池(PERC),其基于低成本晶体硅,但具备比常规硅电池捕捉更加多太阳能量的类似“结构”。

虽然成本必需减少,但该技术未来将会使效率提升7%,许多专家预测其能被普遍使用。但是仍有一个问题必须解决问题。在现场测试中,一些包括PERC电池的模块在太阳光上升解法,切换效率在前三个月上升了10%。

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机械工程博士AshleyMorishige回应:“这些模块被指出可以持续25年,然而在短短几周到几个月内,它们的发电量上升到原设计的90%。这种情况令人十分疑惑,因为制造商在公布产品之前早已几乎测试其产品的效率。此外,并不是所有的模块都会经常出现问题,也并不是所有的公司都会遇上这个问题。

有意思的是,花费了几年时间,公司之间才互相意识到其他公司也不存在某种程度的问题。制造商想到了各种方案来处置它,但其清楚原因依然不得而知,人们担忧它可能会在某一时刻再现,这有可能影响下一代电池的架构。对于Buonassisi而言,这或许是一个机会。他的实验室一般侧重于晶片和电池材料的基础研究,但研究人员某种程度可以将他们的设备和专业知识应用于模块和系统。

通过定义问题,他们可以反对使用这种低能效技术,协助减少每瓦电力电量消耗的材料和劳动力成本。MIT团队与工业太阳能电池制造商密切合作,展开了“根本性原因分析”以探索问题的根源。

该公司早已协助他们分析PERC模块的车祸发育,并报告了一些出现异常的趋势。在测试中,开口电路内的PERC模块在阳光下摆放60天后,将仍然享有显著高于传统太阳能电池的高效率;某种程度的存储条件,开路中模块的效率则不会再次发生更加显著的上升。

此外,由有所不同硅锭做成的模块表明出有有所不同的功率损耗不道德,在960℃峰值温度下生产的电池模块,其效率的减少显著快得多860℃下烧成的电池。亚原子失当不道德想说明缺失如何影响切换效率,必须再行理解太阳能电池如何在基本水平工作。在光敏材料中,电子可以正处于两个有所不同的能级:处在价带的电子被束缚;而处在导带的电子则可以权利运动。

当光照射材料上时,电子可吸收充足的能量从价带光子到导带,留给称作空穴的空位。像这样光子的电子,在丧失该额外能量并回升到价带之前,将在导带上运动从而产生电流。一般来说,电子或空穴必需减少或丧失一定能量才能在能级之间光子。

虽然空穴被定义为电子缺失,但是物理学家将电子和空穴都视作半导体内的载流子。硅中的金属化或结构缺失在禁带中引进缺失能级,电子和空穴光子到中间能级,使得电子光子构建了较较少的能量增益或损耗。如果电子和空穴都移动,不会再次发生电子-空穴填充,此时,开路电压不会有显著上升。

PVLab研究人员用电子与空穴填充之前维持在激发态的平均值时间来分析该不道德。寿命严重影响太阳能电池的能量切换效率,它对缺失的不存在十分脆弱,Buonassisi说道。

为了测量寿命,Morishige和机械工程研究生MalloryJensen领导的团队用于光谱学的方法:将光照在样品上或冷却样品,并在期间和之后即时监测导电性。电流上升时,电子不受外部能量唤起跃入导带;电流下降时,它们丧失能量并落到价带。随时间的电导率变化体现出有样品中电子的平均寿命。定位和缺失密切相关为了解决问题PERC太阳能电池的性能问题,研究人员必须弄清楚模块中的主要缺失所在,还包括硅表面、铝背衬和材料之间的各种界面。

但麻省理工学院团队指出缺失最有可能不存在于硅片本身。为了检验这个假设,他们用于了在750℃和950℃下生产的太阳能电池来检验这个假设,并且原作了光照和暗室两种留存环境。之后,用化学方法除去电池的顶层和底层,仅有留给硅晶片,然后展开电子寿命的测试。低温时,在两种留存环境中的样品寿命大致相同;高温时,光照留存的样品寿命明显高于暗室中的样品。

这些找到证实了效率发育主要归咎于硅中的缺失,这些缺失不会影响电池中的电子寿命,从而使效率明显上升。在先前的测试中,研究人员找到,样品在200℃下再行冷却水解一个小时,可以使寿命完全恢复,但在新的曝露于光下时仍然不会再次发生回升。那么这些缺失是如何阻碍切换效率,以及在它们的构成中有可能牵涉到什么类型的污染物呢?缺失的两个特点将有助研究人员问这些问题。

首先是缺失能级正处于价带和导带之间;第二是“捕捉横截面”——特定方位处的缺失可捕捉电子和空穴(电子的体积有可能与缺失的体积有所不同)。虽然这些特性容易必要在样品中测量,但是研究人员可以根据经验方程,利用有所不同太阳光强度和测试温度下的寿命来推测它们。

用于在950℃下烧成后曝露于光的样品,在有所不同的测试条件下展开寿命光谱实验。用这些数据计算出来能量水平和造成电子空穴填充的主要捕捉横截面。通过查询文献以理解哪些元素已被找到具备这些特性,从而列出出有造成样品切换效率上升的优先候选。

Morishige团队早已极力增大了名单范围。“最少有一个与我们仔细观察到的大部分完全一致。”她说道。

在这种情况下,在生产中不会造成金属污染物在硅的晶格中导致缺失,氢原子与金属原子融合,使其维持电中性,因此无法用于电子空穴填充的位点。但在类似条件下,尤其是当电子密度低时,氢原子从金属解离,使得缺失显得极具填充活性。

这种说明合乎公司关于其模块的可行性报告。在较高温度下烧成的电池将更加更容易受到光的诱导而损毁,因为它们中的硅一般来说包括更好的杂质和更加较少的氢,并且它们的性能各不相同,因为有所不同出厂的硅包括有所不同浓度的污染物以及氢。正如研究人员找到的那样,在200℃下烤制硅晶片,有可能造成氢原子与金属新的融合产生惰性的缺失。

基于这种假设的机制,研究人员为制造商获取了两个建议。首先,尝试调整生产工艺,使得它们可以在较低温度下展开烧成步骤;第二,保证他们的硅晶片中那些被列为“指控名单”的金属的浓度降到低于。

车祸的结果PERC技术的高效性源于有效地捕捉太阳能的类似结构,这说明了了生产材料固有的问题。“细胞人做到了一切准确的事,”他说道,“如果问题的关键在于硅晶片中与缺失相互作用的唤起电子密度过低,那么寻找解决问题它的有效地策略将显得尤为重要,因为下一代器件设计和晶片减薄将带给更高的电子密度。这项工作必须各个领域专家之间的合作,他主张所有参与者,还包括私人公司和研究机构以及各个领域的专家,从原料到晶圆、电池和模块,再行到系统集成和模块加装展开交流。

“我们的实验室正在采行一系列措施,将利益涉及团体挤满在一起,联合创立一个新的研发平台。希望这能使我们更慢地解决问题技术挑战,并协助达成协议2030年构建10TW光伏的目标。”Buonassisi如是说。这项研究由国家科学基金会、美国能源部和新加坡国家研究基金会通过新加坡麻省理工学院研究和技术联盟资助。

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