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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?

导读: 清洁能源成为了未来发展的大趋势,太阳能电池便是其中之一,但是其转换效率一直是难以解决的问题。

清洁能源成为了未来发展的大趋势,太阳能电池便是其中之一,但是其转换效率一直是难以解决的问题。现在,研究人员发现了影响其转换效率的主要原因,通过改善将大大提高电池的使用寿命,这将为我们保护环境做出重要的贡献,让我们一起来领略一下“领导者”硅的风光吧!

随着低碳能源成为未来世界发展的大趋势,在本世纪中叶,大规模太阳能发电成为减缓气候变化的重要措施。气候科学家认为:到2030年,全球将需要超过10万亿瓦(TW)的太阳能发电量,这绝不少于当前发电量的50倍。在麻省理工光伏研究实验室(PVLab),团队正致力于探索新技术,并帮助实现这一目标。“我们的工作是通过技术创新找到经济和环境可持续的方式使太阳能发电量达到10TW以上。”机械工程和实验室主任的副教授TonioBuonassisi说。

这是一项巨大的挑战。首先,他们计算到2030年实现10TW太阳能发电量所需的增长率,以及在没有补贴帮助的情况下能够实现增长的最低价格,当前的技术显然不能完成任务。Buonassisi说:“这需要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完成这项工作,这很难。那么,是否有其他什么方法呢?

使用结合技术和经济变量的模型,研究人员确定需要三个变化:一是将模块的成本降低50%,二是将模块的转换效率(即太阳能转换为电能的百分数)增加50%,三是将新建工厂的成本减少70%。这三项变化需要尽快在五年内完成,将需要近期政策来激励部署,并大力推动技术创新以降低成本,使政府支持可以随着时间的推移而减少。

在效率上迈进

在MITPVLab和世界各地,太阳能的转换效率已经取得了重大进展。一种特别有前景的技术是钝化发射区背面电池(PERC),其基于低成本晶体硅,但具有比常规硅电池捕获更多太阳能量的特殊“结构”。虽然成本必须降低,但该技术有望使效率提高7%,许多专家预测其能被广泛采用。

但是仍有一个问题需要解决。在现场测试中,一些包含PERC电池的模块在太阳光下降解,转换效率在前三个月下降了10%。机械工程博士AshleyMorishige表示:“这些模块被认为可以持续25年,然而在短短几周到几个月内,它们的发电量下降到原设计的90%。这种情况令人非常困惑,因为制造商在发布产品之前已经完全测试其产品的效率。此外,并不是所有的模块都会出现问题,也并不是所有的公司都会遇到这个问题。有趣的是,花费了几年时间,公司之间才相互意识到其他公司也存在同样的问题。制造商想出了各种方案来处理它,但其确切原因仍然未知,人们担心它可能会在某一时刻重现,这可能影响下一代电池的架构。

对于Buonassisi而言,这似乎是一个机会。他的实验室一般侧重于晶片和电池材料的基础研究,但研究人员同样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,他们可以支持采用这种高能效技术,帮助降低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,进行了“根本性原因分析”以探寻问题的根源。该公司已经帮助他们分析PERC模块的意外退化,并报告了一些异常的趋势。在测试中,闭合回路内的PERC模块在阳光下放置60天后,将不再拥有明显优于传统太阳能电池的高效率;同样的存储条件,开路中模块的效率则会发生更明显的下降。此外,由不同硅锭制成的模块显示出不同的功率损耗行为,在960℃峰值温度下制造的电池模块,其效率的降低明显快于860℃下烧制的电池。

亚原子不当行为

想要解释缺陷如何影响转换效率,需要先了解太阳能电池如何在基本水平工作。在光敏材料中,电子可以处于两个不同的能级:处在价带的电子被束缚;而处在导带的电子则可以自由运动。当光照射到材料上时,电子可吸收足够的能量从价带跃迁到导带,留下称为空穴的空位。像这样跃迁的电子,在失去该额外能量并回落到价带之前,将在导带上运动从而产生电流。

通常,电子或空穴必须增加或失去一定能量才能在能级之间跃迁。虽然空穴被定义为电子缺陷,但是物理学家将电子和空穴都视为半导体内的载流子。硅中的金属化或结构缺陷在禁带中引入缺陷能级,电子和空穴跃迁到中间能级,使得电子跃迁实现了较少的能量增益或损耗。如果电子和空穴都移动,会发生电子-空穴复合,此时,开路电压会有明显下降。

PVLab研究人员用电子与空穴复合之前保持在激发态的平均时间来量化该行为。寿命严重影响太阳能电池的能量转换效率,它对缺陷的存在非常敏感,Buonassisi说。

为了测量寿命,Morishige和机械工程研究生MalloryJensen领导的团队使用光谱学的方法:将光照在样品上或加热样品,并在期间和之后即时监测导电性。电流上升时,电子受外部能量激发跃入导带;电流下降时,它们失去能量并落入价带。随时间的电导率变化反映出样品中电子的平均寿命。

定位和缺陷表征

为了解决PERC太阳能电池的性能问题,研究人员需要弄清楚模块中的主要缺陷所在,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认为缺陷最有可能存在于硅片本身。

为了验证这个假设,他们使用了在750℃和950℃下制造的太阳能电池来验证这个假设,并且设定了光照和暗室两种保存环境。之后,用化学方法去除电池的顶层和底层,仅留下硅晶片,然后进行电子寿命的测试。低温时,在两种保存环境中的样品寿命大致相同;高温时,光照保存的样品寿命显著低于暗室中的样品。

这些发现证实了效率退化主要归因于硅中的缺陷,这些缺陷会影响电池中的电子寿命,从而使效率显著下降。在后续的测试中,研究人员发现,样品在200℃下再加热降解一个小时,可以使寿命恢复,但在重新暴露于光下时依然会发生回落。

那么这些缺陷是如何干扰转换效率,以及在它们的形成中可能涉及什么类型的污染物呢?缺陷的两个特点将有助于研究人员回答这些问题。首先是缺陷能级处于价带和导带之间;第二是“捕获截面”——特定位置处的缺陷可捕获电子和空穴(电子的体积可能与缺陷的体积不同)。

虽然这些特性不易直接在样品中测量,但是研究人员可以根据经验方程,利用不同照射强度和测试温度下的寿命来推断它们。使用在950℃下烧制后暴露于光的样品,在不同的测试条件下进行寿命光谱实验。用这些数据计算能量水平和导致电子空穴复合的主要捕获截面。通过查阅文献以了解哪些元素已被发现具有这些特性,从而列举出导致样品转换效率下降的优先候选。

Morishige团队已经极力缩小了名单范围。“至少有一个与我们观察到的大部分一致。”她说。在这种情况下,在制造中会导致金属污染物在硅的晶格中造成缺陷,氢原子与金属原子结合,使其保持电中性,因此不能用作电子空穴复合的位点。但在特殊条件下,特别是当电子密度高时,氢原子从金属离解,使得缺陷变得极富复合活性。

这种解释符合公司关于其模块的初步报告。在较高温度下烧制的电池将更易于受到光的诱导而损坏,因为它们中的硅通常包含更多的杂质和更少的氢,并且它们的性能各不相同,因为不同批次的硅包含不同浓度的污染物以及氢。正如研究人员发现的那样,在200℃下烘烤硅晶片,可能导致氢原子与金属重新结合产生惰性的缺陷。

基于这种假设的机制,研究人员为制造商提供了两个建议。首先,尝试调整制造工艺,使得它们可以在较低温度下进行烧制步骤;第二,确保他们的硅晶片中那些被列入“嫌疑名单”的金属的浓度降至最低。

意外的结果

PERC技术的高效性来源于有效捕获太阳能的特殊结构,这揭示了制造材料固有的问题。“细胞人做了一切正确的事,”他说,“如果问题的关键在于硅晶片中与缺陷相互作用的激发电子密度过高,那么找到解决它的有效策略将变得尤为重要,因为下一代器件设计和晶片减薄将带来更高的电子密度。

这项工作需要各个领域专家之间的合作,他主张所有参与者,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,再到系统集成和模块安装进行沟通。“我们的实验室正在采取一系列措施,将利益相关团体聚集在一起,共同创建一个新的研发平台。期望这能使我们更快地解决技术挑战,并帮助达成2030年实现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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