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2016年太阳能光伏行业十大前沿技术

作者:中国储能网新闻中心  来源:OFweek 太阳能光伏网  发布时间:2016-12-30 8:50:22

中国储能网讯:近来,我国东北地区严重的雾霾问题引发了全民吐槽。而在人们争相吐槽的同时,如何快速发展可再生能源以有效解决雾霾问题也成为了讨论的焦点。其中,经过多年来的快速发展,太阳能发电已经成为了全球最便宜的能源之一。但是尽管如此,相对于火电等传统能源来说,太阳能发电的成本依然较高。那在雾霾肆虐之下,太阳能发电又靠什么来降低发电成本,挑起可再生能源取代传统化石燃料的重任,还天空一个蔚蓝呢?

俗话说,技术创新是第一生产力,太阳能发电想挑起重任,就必须要通过不断的技术创新来降低发电成本。追本溯源,从长远发展来看,太阳能发电成本的降低主要依靠的是电池效率的突破。而令人欣慰的是,2016年太阳能行业的科研人员们并未让人失望,他们用一次又一次的技术突破证明了太阳能发电的良好前景。

本篇文章,OFweek太阳能光伏网将为大家盘点光伏行业2016年度十大新技术和突破性进展,请关注这些技术,它们可能改变未来!

NO.1 松下推出新型高效HIT太阳能电池组件 效率达36%!

2016年2月16日,松下宣布推出创新型高效太阳能电池板,HIT N330 和N325 光伏组件。

该创新型异质结电池结构由单晶硅和非晶硅(无定形硅)层构成。据报道,松下HIT系列电池与传统太阳能电池尺寸相同,但能效居于行业领先。松下表示,松下HIT系列太阳能电池板利用 96片HIT太阳能电池,相比于传统60片电池而言,不浪费空间,高温情况下性能表现更好。并且,此新型太阳能电池组件几乎适用于所有的住宅应用,每平方英尺产能高达36%,能极大降低系统安装成本。

松下指出,其独特的金字塔式电池结构促成了其无与伦比的效率,可吸收更多的阳光发电,比传统晶体结构能效更高。排水架设计可排开太阳能电池板表面的积水,即便安装角度较低,可避免积水或变干后的水渍,减少能源输出耗损效率。

编辑点评:该电池组件亮点在于其独特的金字塔式电池结构,可以让电池更大程度的吸收太阳光,从而使电池组件的效率达到了高点。除此之外,该电池组件的排水架设计也是一个亮点,这样的细节优化彰显了科研人员追求完美的精神。而这正是所有的科研技术人员需要学习的东西。该电池组件的推出对整个太阳能光伏行业起到了极大的推动作用。

NO.2 薄膜CIGS太阳能电池效率刷新纪录 达22.6%!

德国巴登符腾堡太阳能和氢能源研究中心(ZSW)宣布研制出转换效率为22.6%的CIGS(铜铟镓硒)薄膜太阳能电池。转换效率超出日本制造的电池0.3个百分点,这也是ZSW第五次重新揽回世界纪录。

此款新型电池面积为0.5平方厘米,属于测试电池标准大小。研究所的研究人员通过提高优化生产工艺提升了电池效率性能。具体就是CIGS表面的沉积后处理,将金属化合物掺入到该层。

铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池效率在过去三年比过去15年增长还多。由于效率提高,其发电成本快速降低。

近年来薄膜光伏效率纪录增长势头迅猛,前三年时间,每隔半年左右,世界纪录就会被刷新,每年平均提升0.7%。薄膜电池可能很快将成为已经占据了光伏市场多年的硅基解决方案的有力竞争者。

据悉,在未来的几个月里,ZSW将与业界的合作伙伴Manz合作,将这一最新技术从实验室输出走进工厂。Manz总部位于德国罗伊特林根,提供CIGS薄膜太阳能电池组件交钥匙生产线。

编辑点评:晶硅电池之外的薄膜电池一直是人们关注的焦点,薄膜电池也是近年来业内研究的重点。而CIGS太阳能电池作为一种发展相对成熟的薄膜技术,其背后的潜力巨大。目前,CIGS组件生产成本已经低至和硅技术差不多。参照这几年的发展速度,在未来的几年,CIGS光伏技术很有可能赶超多晶硅技术,带领薄膜光伏强势崛起。

No.3 Alta Devices双结太阳能电池效率创纪录达31.6%

Alta Devices宣布其砷化镓太阳能光伏刷新世界纪录,该公司生产出效率高达31.6%的双结电池,此项最新技术获得美国能源部国家可再生能源实验室(NREL)认证。

2013年Alta单结太阳能电池效率纪录达30.8%,此后不久,该纪录被NREL赶超,然而Alta重新再次刷新世界纪录。

Alta Devices通过多项突破性技术来使用砷化镓制造太阳能电池片,在单结太阳能技术领域实现了世界最高能效。此次,阿尔塔推出的全新双结技术建于之前的单结技术基础之上,使用了磷化铟镓作为基底之上的第二个吸收层。相比单结设备,磷化铟镓利用高能光子的效率更高,所以在等量太阳光下,新的双结技术产生的电量更多。该公司的太阳能效率已经获得能源部的国家可再生能源实验室(NREL)测量和认证。

Alta现在保持单结双结砷化镓薄膜太阳能电池技术世界纪录。但是还面临将此实验室研究技术创新投入到批量生产的挑战。

编辑点评:2015年,中国的汉能薄膜将美国Alta Devices公司收为旗下,当时Alta Devices掌握的砷化镓(GaAs)柔性薄膜电池技术是世界最领先的薄膜太阳能电池技术,其双结电池片的发电效率已达30.8%。而经过一年的技术资源整合,Alta Devices的电池技术再次爆发,将双结电池片的发电效率提高到31.6%。而更让人兴奋的是,Alta Devices的单结砷化镓薄膜太阳能电池已经开始量产。可以预见的是,随着技术的进步及成本的降低,薄膜光伏将逐步崛起。

NO.4 多接合硅晶太阳能电池效率突破30%!

德国Fraunhofer太阳能系统研究所(ISE)与奥地利公司EV Group(EVG)合作,成功以硅晶太阳能电池为基础,加上拥有两个电极的多接合太阳能电池技术,让太阳能电池的转换效率一举冲高到30.2%。

具体来说,Fraunhofer ISE和EVG的研究员透过直接外延片接合(direct wafer bounding)工艺将微米级的三五族半导体材料转换为硅材;经电浆活化后,外延片表面的次电池(subcell)将呈现真空状接合,使三五族次电池表面的原子与硅原子紧密接合,形成以硅材为基础的次电池。

而透过堆叠磷化铟镓(GaInP)、砷化镓(GaAs)、硅(Si)等三种次电池所构成的多接合电池,能吸收更广光谱的太阳光,转换效率也能大幅提升。Fraunhofer ISE和EVG成功使4平方公分面积的三五族半导体/硅材多接合电池之转换效率提高到30.2%,突破了硅晶太阳能电池的理论效率天花板29.4%,并由Fraunhofer实验室检证完成。

编辑点评:在目前已大规模商业化的硅晶太阳能电池转换效率很难超过23%的情况下。该项技术突破了硅晶太阳能电池的理论效率值,让业内人士对未来的高效太阳能光伏电池生出无限憧憬。目前,虽然这类三五族半导体/硅材多接合电池的成本仍然高昂,但是三五族半导体磊晶工程和接合技术等都有成本降低空间。所以,这项技术未来仍然有很大的提升空间,届时,突破效率天花板的高效硅晶太阳能电池将会有量产的那一天。

NO.5 弗劳恩霍夫聚光光伏组件效率创新高 达43.3%!

弗劳恩霍夫ISE在2014年创造新的太阳能电池效率之后,宣布使用聚光光伏(CPV)技术的太阳能电池组件效率再次刷新世界纪录。据位于弗莱堡的研究院透露,此款新型迷你CPV组件包括四结太阳能电池,效率刷新了世界纪录达43.3%。

弗劳恩霍夫ISE Andreas Bett博士表示:"此项新技术创造了聚光光伏技术新的里程碑,展现出其工业应用的潜力。"

聚光光伏技术经常使用多结太阳能电池。CPV技术广泛应用于太阳辐射大的地区。2014年,弗劳恩霍夫及其合作伙伴法国Soitec公司及其法国研究机构CEA-Leti,创造了光电转化效率高达46%的太阳能电池,是光电转化效率的最高纪录。

编辑点评:被称之为第三代光伏技术的高倍聚光光伏发电技术的发展向来引人注目,其光电转换效率理论上可达70%。近年来,聚光光伏技术创造的光电转换效率屡创新高,极高的转换效率总是让光伏人士眼前一亮。但是,目前聚光光伏项目一般都是通过一个支架直接安放在地面上,假设全部安装在屋顶的话,则存在维护和安装上的困难。如果未来这一问题不解决的话,聚光光伏的发展将会因为难以安装到屋顶上而受限制。

NO.6 光伏电池能效记录再次被打破 高达34.5%

澳大利亚新南威尔士大学(UNSW)打破了光伏电池的能效记录,将太阳能转换效率提升到了惊人的34.5%。此前,美国的Alta Devices曾创下了24%的转换率记录,但UNSW下属澳大利亚先进光电中心高级研究员Mark Keevers和Martin Green打造的新设备,又将性能提升了不少。2014年的时候,他们曾利用镜子集中光线的方式,将转换率定格在了40%以上。不过这一次,新设备并未"作弊",而是在正常光照条件下取得的这一成绩。

UNSW的Mark Keevers展示手上的装置

新装置由嵌入棱镜的四片迷你模块结合而成(大小为28cm2),当阳光照射棱镜的时候,会被分成四段输入四联接收器,从而增加了可从阳光中获取到的能量。

新装置的工作示意图

在玻璃棱镜的一侧,是一片硅光电池(silicon cell);在另一边,则是三结太阳能电池(triple-junction solar cell)。这种太阳能电池有三层,各自对应不同的光波,能够最有效地利用光能,而剩下的光能会传递到下一层、最终红外光波会被筛出反弹到硅光电池那边。

Green表示:"业界多年来一直未能达到这一效率水平,而近期德国Agora Energiewende的一份研究,还认为要到2050年才能让非聚焦太阳能收集模块的效率达到35%并走入家庭应用"。

Keevers在一篇声明中称:"通过让每一束光线产生转化成尽可能多的能量,对于降低太阳能发电成本是极为重要的,因其降低了所需的投资、回报也来得更快"。

编辑点评:毫无疑问,该项技术是极具爆炸性的,34.5%的转换效率让人惊讶。更难能可贵的是,该纪录是在正常光照条件下取得的。而遗憾的是,由于结构太复杂、量产成本过高,当前的原型装置并不适合在屋顶上大规模应用。所以该项技术未来想要形成发展,还需要降低复杂程度,并减少边际成本。

No.7 英美大学开发串联型钙钛矿太阳能电池 效率有望超30%!

美国斯坦福大学与英国牛津大学的研究人员宣布,利用涂布技术制作的串联型钙钛矿太阳能电池实现了20.3%的高转换效率,并且该电池具备高耐久性。预计将来转换效率有望超过30%。论文已发表在学术杂志《科学》上。

串联型太阳能电池,是以两层太阳能电池更有效地利用太阳光,以提高转换效率的技术。具体来说,第一层主要吸收太阳光中波长稍短的光和紫外线,第二层吸收波长稍长的光和红外线。

现有的串联型钙钛矿太阳能电池中,有在硅系太阳能电池上层叠钙钛矿太阳能电池的例子。此次与这类案例不同,其两层都是钙钛矿太阳能电池,分别是在玻璃基板上以涂布技术制作,再贴合到一起制成串联型。

制作的串联型太阳能电池的截面照片

下面的红色层面向短波长光,上面的褐色层面向长波长光(摄影:Giles Eperon)

两层都制成钙钛矿太阳能电池的困难在于第二层的制作。此次单层具有14.8%转换效率、主要支持红外线的钙钛矿太阳能电池的实现,除了使用铅(Pb)的普通材料外,还采用了锡(Sn)和铯(Cs)。将其用于串联型,获得了20.3%的转换效率。

据称,钙钛矿太阳能电池,尤其是基于Sn的电池存在耐久性非常短等问题,而此次的制作大幅提高了耐久性。该太阳能电池在100摄氏度大气压环境下4天的实验中表现出了良好的耐久性。

编辑点评:发展迅速的钙钛矿电池,近几年来一直是太阳能产业的研究热点。钙钛矿技术具有巨大的潜力,有望在实现和砷化镓一样高的性能的同时实现比多晶硅电池还低的制造成本。尽管钙钛矿太阳能电池还存在诸多问题,但是近年的技术进展已经表明,钙钛矿光伏技术并没有难以逾越的原理性问题。该串联型钙钛矿太阳能电池不但效率突破到了一个新高点,而且提高了钙钛矿电池的耐久性,使得钙钛矿电池的发展向前迈进了一大步。

NO.8 石墨烯+光伏 太阳能电池雨天发电不用愁

多年来,工程师和材料学家在提高太阳能电池发电效率、扩大储电容量上的作为颇多。但是此太阳能发电仍需要天气的配合,当碰到下雨或多云的天气,太阳能电池的发电效率也随之大打折扣。中国科学家借助石墨烯成功开发出一种雨天也能发电的新型太阳能电池。

中国海洋大学(青岛)与云南师范大学(昆明)的科研团队在德国期刊《应用化学国际版》上发布研究报告详细阐述了这项成果,为了使得雨水也能产生电能,研究人员在高效染料敏化太阳能电池表面上覆盖了一层石墨烯薄膜。在遇水的情况下,石墨烯的电子可吸引正电荷离子,即路易斯酸碱电子理论,这一属性也可用于去除溶液中的铅离子和有机染料。

原理图

该科研团队受路易斯酸碱电子理论启发,使用石墨烯薄膜来从雨水中获取电能。要知道,雨水并不是毫无杂质的纯净水,其中含有能分离成正负离子的盐份,其中正电荷离子主要为钠离子、钙离子与氨盐基。为了巧妙利用这些化学成分,科学家选用了能够吸引正离子的石墨烯薄膜,在雨水与石墨烯的接触点上,这些成分会被吸附到石墨烯表面,这层带正电的离子层会与石墨烯的负电电子作用结合,形成一个电子与正电荷离子组成的双层结构,能起到电容器一样储备电能的效果,双层间的势能差足以产生电压和电流。

在测试过程中,科学家们在染料敏化太阳能电池上加了一层石墨烯薄膜,然后把它们放在一种由铟锡氧化物和塑料制成的柔韧且透明的基质上,由此形成的柔韧度高的太阳能电池的光电转换效率为6.53%,并能从用来模拟雨水的盐水中产生数百的微伏特(microvolt)。

“未来太阳能电池的发展趋向可能是全天候的。”唐群委说,但这一研究尚处于概念阶段,距离投入商用还需很长一段时间。唐群委还表示,他们未来的研究力度将集中于如何有效控制雨水中的各种离子,以及如何利用雨中那些常见的低浓度离子发电。

编辑点评:梦幻变成真实,雨天也能发电的太阳能电池,将打破太阳能发电一直以来的软肋。在这一点上来说,这项技术毫无疑问是极具开创性的。未来,这项技术在雨量充沛但太阳能资源不够丰富的地区、酸雨多发地区、以及岛礁供电和海上航行等领域都能派上用场。如果未来该项技术能得到持续发展,光伏电站将摆脱发电雨天不能发电的桎梏,为全球带来稳定的供电。

NO.9 生物太阳能电池:苔藓居然也能发电

西班牙加泰罗尼亚高级建筑学院的学生Elena Mitrofanova提出一项以苔藓为介质的光伏发电系统,直观看来,是一组种植苔藓的立面中空模块化墙砖。

立面的苔藓光伏发电系统

在光合作用过程中,植物利用光能把周边环境中的二氧化碳和水转化为有机化合物。"(苔藓)释放的有机化合物进入含有共生菌的土壤,细菌为生存对有机化合物进行分解,这一过程就产生了含有电子的副产品。"Mitrofanova说,"只需为这些微生物产生的电子提供一个电极,这些电子就能被收集且发电。"

一个苔藓发电单位就是一个完整的生物电运行系统,由阳极生物材料(苔藓)、阳极、阴极、阴极催化剂、允许正电荷(主要是质子)从阳极生物材料向阴极转移的"盐桥"组成。阳极即水凝胶和导电碳纤维组成的无土基质,水凝胶是一种可吸收其自身重量400倍的水分的聚合物,能与苔藓湿度互补。发电系统中物质均不会破坏苔藓的代谢运动。

将苔藓电池设计成具有伸缩性的系统,可应用于城市地区是Mitrofanova的目标之一。苔藓光伏电池的组织形式有并联和串联电路两种,可安装在建筑物的外墙。

编辑点评:相对于其他的技术,该生物太阳能电池目前的研究并不是那么的有震撼性,但是通过光合作用来实现太阳能发电的想法得到了实践。而且,相比于硅制成的太阳能电池,使用生物材料制成的太阳能电池来捕获光能更具优势,其生产成本更低,且具有自我修复、自我复制和可生物降解的功能。虽然目前该苔藓发电系统的发电量还十分有限,但是随着未来科技的发展,该项技术将很有可能将成为人类的可行选择。

No.10 新太阳能技术 发电效率吊打薄膜太阳能

如今,太阳能技术已取得突飞猛进的发展,薄膜太阳能发电效率已高达31%,聚光太阳能技术也已日渐成熟。然而,现有太阳能技术也有其技术瓶颈,发电效率始终在30%左右徘徊,但这种局面即将为新的技术所打破。日前,美国普渡大学的研究者们通过将现有多种太阳能技术混搭,构建一个混合系统,将太阳光利用效率提升至50%。

通过技术混搭,普渡大学的研究者们创造了一个全新的概念,它混合了现有三种太阳能技术,分别是PV、热电技术(TE)和聚光太阳能技术。当然,该系统并不是简单地将三种技术累加在一起,而是充分利用太阳光谱,构建了一个完整有序的系统。

首先,PV太阳能电池板能将可见光与紫外线等高能光子转化为电能,提供系统约20%的电能。如采用薄膜太阳能电池板,发电效率会提升至31%。

同时,研究者们采用一种全新设计的“选择性的太阳能吸收器和反射镜”热电装置,能将太阳光热低能光子转化为电能,生成约5%的电能;与此同时,该热电装置通过使用镜组聚光,将热量收集并进行存储,驱动蒸汽涡轮,生成约占本系统25%的电能。

普渡大学电子和计算机工程学院的助理教授PeterBermel表示,“这种做法集成了现有的几种使用太阳能的方法,通过使用混合系统,能全光谱利用太阳光线,从而提高太阳能发电效率。”

据悉,该系统通过利用光谱分裂的优点,提高太阳光利用效率,降低发电成本,并能显著提高电网兼容性。理想状况下,这套系统能在现有条件下利用太阳光效率超过50%,而单靠PV系统,效率最多只有31%。

目前,该项研究工作已得到美国能源部和美国国家科学基金的支持。然而,整套系统仍处于理论设计阶段,为验证其可行性,研究者们还需做进一步实验分析。该项研究的论文,已发表在8月15日的《能源环境科学》杂志的网络平台上。

编辑点评:这也许是一项突破人类想象力的技术,将现下研究最热的几项技术揉合到一起,将会产生什么样的结果?虽然该项技术还未真正面世,但是其理论设计已经得到肯定。如果这项技术能够成功开发并得到推广,未来或将改变人们的生活方式。

关键字:太阳能光伏行业 前沿技术

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