薄膜太阳能电池的发展

在古代,人类可能一直在不断地研究和试验“电”这种东西。1932在伊拉克巴格达附近发现了一个被认为有几千年历史的陶瓶。它有一根铁棒插在一个铜圆筒里——可能是用来储存静电的,但瓶子的秘密可能永远不会泄露。

不管制作这个陶瓶的祖先是否了解静电,可以肯定的是,古希腊人绝对了解。他们知道如果你摩擦一块琥珀,你可以吸引轻的物体。亚里士多德也知道有磁铁这种东西,是一种磁力很强的矿石,可以吸引铁和金属。

1780年的某一天,意大利解剖学家加瓦尼在解剖一只青蛙时,不小心用手中不同的金属器械触碰到了青蛙的大腿,青蛙腿部的肌肉立刻抽动起来,仿佛受到了电流的刺激,但只用一个金属器械触碰青蛙,却没有这样的反应。加尔瓦尼认为,这种现象是由于动物体内产生的一种电,他称之为“生物电”。1791年,加瓦尼写了一篇关于实验结果的论文,发表在学术界。

伽伐尼的发现引起了物理学家的极大兴趣,他们竞相重复连枷瓦尼的实验,试图找到产生电流的方法。意大利物理学家伏特经过多次实验后认为伽伐尼的生物电理论是不正确的,青蛙肌肉之所以能产生电流,很可能是肌肉中的某种液体在工作。为了证明他的观点,伏特将两种不同的金属片浸入不同的溶液中进行实验。发现两种金属片只要有一种与溶液反应,金属片之间就能产生电流。

1799年,伏特将一块锌板和一块银板浸入盐水中,发现连接两块金属的导线中有电流通过。于是,他在锌和银之间放了许多块浸过盐水的绒布或纸,然后把它们叠平。当你用手触摸两端时,你会感觉到强烈的电流刺激。就这样,伏特成功做出了世界上第一块电池——“伏特堆”。这个“伏特堆”实际上是一个串联电池组。它成为早期电学实验和电报的电源。

意大利物理学家伏打多次重复了加尔瓦尼的实验。作为物理学家,他的注意力主要集中在那两种金属上,而不是青蛙的神经上。对于加瓦尼发现的青蛙腿抽搐现象,他认为可能与电有关,但他认为青蛙的肌肉和神经没有电。他推测电流的流动可能是由两种不同的金属接触引起的,与动物无关。实验证明,只要将硬纸、麻布、皮革或其他浸泡在盐水或碱水中的海绵状的东西隔在两个金属片之间(他认为这是实验成功的必要条件),用金属丝将两个金属片连接起来,无论有无蛙肌,都会有电流通过。这说明电不是从青蛙的组织中产生的,青蛙的腿只相当于一个非常灵敏的验电器。

1836年,英国的丹尼尔改进了“沃尔特反应堆”。他用稀硫酸作为电解液,解决了电池极化问题,制成了第一个非极化锌铜电池,也被称为“丹尼尔电池”。此后,去极化效果更好的“本生电池”和“格罗夫电池”相继问世。但这些电池都存在电压随着使用时间的延长而降低的问题。

1860年,法国的普朗泰发明了以铅为电极的电池。这种电池的独特之处在于,当电池使用一段时间使电压下降时,可以用反向电流通电使电池电压上升。因为这种电池可以反复充电使用,所以被称为“蓄电池”。

但是无论哪种电池都需要在两块金属板之间填充液体,携带起来非常不方便,尤其是电池使用的液体是硫酸,移动起来非常危险。

也是在1860年,雷克林发明了世界上广泛使用的电池的前身(碳锌电池)。它的负极是锌和汞的合金棒(锌伏原型电池的负极,被证明是作为负极材料的最佳金属之一),而它的正极是多孔杯中粉碎的二氧化锰和碳的混合物。一根碳棒作为集电器插入这种混合物中。负极棒和正极杯都浸在作为电解液的氯化铵溶液中。这个系统被称为“湿电池”。Reclin制造的电池简单但便宜,所以直到1880才被改进的“干电池”取代。负极改进成了锌罐(也就是电池的外壳),电解液变成了糊状而不是液体。基本上,这就是我们现在所知道的碳锌电池。

1887年,英国人赫勒森发明了最早的干电池。干电池的电解液是糊状的,不会渗漏,携带方便,所以得到了广泛的应用。以晶体硅太阳能电池设备为主的中国主要太阳能电池设备制造商2011上半年实现127.2%的高速增长,并创同期历史新高。进入下半年后,由于光伏产品供过于求,库存大量积压,大部分光伏生产企业推迟了扩张计划,大量设备订单合同不得不延期,导致销量快速下滑。但2011年,太阳能电池设备销售收入仍以75%的高增长率增长。2012年,中国太阳能电池设备市场持续低迷,太阳能电池设备年销售收入出现负增长。

2012,量价双双下跌超六成。

2008年,全球薄膜太阳能电池产量达到988.8MW,同比增长122%。2009年全球生产的光伏电池总量达到10700 MWp,其中1700 MWp为薄膜电池,约占15.9%。2010年全球薄膜太阳能电池产量快速增长,产量达到2767MW。近年来,薄膜太阳能电池总产量的增长率一直保持在较高水平。

我国也非常重视薄膜太阳能电池技术的研发和产业化,与国际先进水平的差距正在逐步缩小,正在积极有序地发展。截至2008年底,我国14家薄膜太阳能电池企业产能已达约125.9MW,年产量约46MW。截至2009年底,已开工建设并开展前期工作的薄膜太阳能电池项目近40个。

2011,1,代表国际先进水平的中国制造的第一台薄膜太阳能电池关键生产设备——等离子体增强化学气相沉积(PECVD)成功下线,打破了高端薄膜太阳能电池一直被国外厂商垄断的局面。2011年5月5日,国内首款CIGS薄膜太阳能集热管下线,向业界宣告了国产薄膜太阳能电池的发展与世界同步。

虽然近年来多晶硅价格大幅下跌,但晶体硅电池转换效率稳步提升,薄膜电池成本优势减弱,发展放缓。然而,光伏行业正逐渐走向技术多元化。晶体硅、薄膜、聚光技术的博弈不再局限于成本竞争,每项技术都可以在自己的优势应用领域拓展市场空间。

在未来的市场中,薄膜太阳能电池的比重将继续增加,薄膜太阳能电池的研发将继续加速。未来光伏建筑一体化(BIPV)的推进和国家支持太阳能电池发展的政策将陆续出台,推动我国薄膜太阳能电池新一轮高速发展。此外,薄膜电池已被列入中国太阳能光伏产业“十二五”发展重点。

如今,业界已经很好地掌握了用薄膜代替硅晶体制造太阳能电池的技术。日本产业技术综合研究所已于2月开发出世界上太阳能转换率最高的有机薄膜太阳能电池,其转换率达到了现有有机薄膜太阳能电池的4倍。之前的有机薄膜太阳能电池,两层有机半导体薄膜粘合在一起,太阳能到电能的转换率约为1%。新型有机薄膜太阳能电池通过在原有的两层结构之间加入混合膜,使其具有三层结构,增加了产生电能的分子之间的接触面积,从而大大提高了太阳能转换率。

可折叠薄膜太阳能电池是一种由非晶硅结合PIN光电二极管技术制成的薄膜太阳能电池。该系列产品具有柔软、轻便、耐用、光电转换效率高的特点。可广泛应用于电子消费品、远程监控/通信、军事、室外/室内供电等领域。

有机薄膜太阳能电池使用塑料等轻软材料作为基底,因此人们对其实用性有很高的期望。研究人员表示,通过进一步研究,有望开发出转换率达20%的有机薄膜太阳能电池,并可投入实际使用。专家认为,薄膜太阳能电池的成本将在未来五年内大幅降低,届时将广泛应用于手表、计算器、窗帘甚至服装。

因为使用的半导体原料远比普通太阳能电池少,所以可以解决太阳能电池价格高的问题。后来,研究人员利用被称为CIS的复合半导体技术,将厚度为2 ~ 3微米的CIS放在玻璃等材料上,制成薄膜太阳能电池。它比传统的由硅制成的太阳能电池薄100倍,实际上比头发还薄。它还更轻,使用的半导体材料更少,因此更便宜,可以大规模生产。

传统的硅电池需要大量的半导体材料,价格昂贵,无法普及,而且体积庞大,应用范围受到限制。薄膜电池只需要把廉价的材料放在塑料等弹性表面上,既便宜又轻便。

专家认为,在不久的将来,薄膜太阳能电池将出现在人们的日常生活中。

目前,世界上至少有40个国家正在进行下一代低成本高效率薄膜太阳能电池的实用化研发。

据俄罗斯“STRF”科学网站3月25日消息,俄罗斯科学院物理与技术研究所研究团队研发出一种新型太阳能薄膜电池。这种基于硅材料的太阳能电池组件光电转换效率理论可达27%。

现在世界上大部分光伏产业使用的主要材料是晶体硅电池,在光伏面板领域单晶硅电池和多晶硅电池占主导地位。第二代太阳能电池——薄膜太阳能电池市场正在悄然崛起,并以其重量轻、透光性好的独特优势开辟了一个新的领域。