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【烧脑】技术预测:太阳能光伏电池的未来

2015-12-15 00:13
吃瓜天狼
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  能源是人类社会生存与发展的根基。随着人类社会的快速发展,能源大量消耗导致的能源短缺和环境污染,是当前以及未来世界各国都必须直视的问题,因此对可再生能源的研究和利用上升到空前的战略地位。太阳能既是一次能源,也是最主要的可再生能源之一,具有资源丰富,分布广泛等优点,其利用方式主要有太阳热能利用、太阳能光伏发电和光电解制氢等方式。其中太阳能光伏发电是当前太阳能领域最受关注的研究领域。

  自1953年美国贝尔实验室成功研制出光电转换效率为6%的单晶硅太阳电池以来,类型丰富的太阳能电池接连问世。按照结晶状态,太阳能电池可分为结晶薄膜式和非结晶薄膜式;按照材料可分为硅薄膜型、多元化合物薄膜型、聚合物多层修饰电极型、纳米晶类型和有机太阳能电池。国内李欣、黄鲁成通过Fisher-Pry模型分析,对1974-2010年间全球染料敏化太阳能光伏技术的发展趋势进行研究;杨中楷、刘佳利用太阳能光伏电池数据,通过知识图谱方法展现了技术沿革的历史脉络;李春发;曹莹莹利用Cite Space软件对全球的能值研究热点进行可视化分析。然而,近几年专门对太阳能电池领域关键技术的分析特别是对未来潜在技术的预测研究相对较少,本文将通过太阳能电池领域的期刊文献,利用共被引网络方法,探测太阳能电池领域近十年发展历程中关键技术和潜在技术。

  Cite Space软件是美国Drexel大学的Chaomei Chen博士在引文分析理论的基础上,应用JAVA计算机编程语言开发的一种专门用于文献信息可视化分析的应用程序。通过绘制研究文献共被引网络的科学知识图谱,探测和分析学科研究前沿随着时间相关的动态变化趋势以及研究前沿与其知识基础之间的关系,发现不同研究前沿之间的内部联系,本研究基于Cite Space绘制的文献共被引网络,根据关键节点判断关键技术,结合聚类功能探测潜在的技术。根据2014年的JCR报告信息,选择科学主题分类(Subject Category)中的“能源与燃料(ENERGY&FU-ELS)”领域。该领域覆盖了非可再生能源(例如木材、煤炭、石油和天然气)和可再生能源(例如太阳能、风能、生物质能、地热能和水能)的发展、生产、应用、转化以及管理等方面。本文选取了太阳能领域的5个代表性期刊,数据检索策略如表1所示:

  我们将利用上述5种期刊,来分析探测引起太阳能领域研究转折的关键技术。相关的文献数据下载于美国ISI(科学情报研究所)的Web Of Science数据库。

  1、关键技术分析

  首先通过CiteSpace软件对太阳能领域的期刊文献数据进行引文共被引(文献共被引)可视化分析(Document Co-citation Network)。在参数选择中,为了使文献的被引次数容易观测,增强可比性,我们选择“时间切片(Time Slicing)”为2,即以每2年为单位来计算文献的被引用频次的变化。在分析“模块(Modeling)”,选择“文献共被引分析(Cited Reference)”。共被引文献间的连线强度(Links Strength)选择“夹角余弦(Cosine)”。在节点显示的阈值设置中,由于期刊在载文数量上随时间呈增长趋势,根据布拉德福定律(B.C.Bradford)的文献分散理论,核心期刊区域与相关期刊区域成等比关系(1∶n∶n2……),因此选择百分比N%作为阈值选项较为合理。我们设定显示被引次数排在前0.5%的文献,产生文献样本数量如表2所示。

  利用Citespace软件对数据进行计算处理,得到了一个结构非常清晰的共被引网络,如图1所示,其中节点的大小代表共被引频次,节点圆环的厚度代表在时间区间内的被引次数。我们可以看到在同一时间区间内共被引连线的数量要明显多于不同时区之间的连线,这表明了在同一时区内研究主题的聚类特征还是比较明显的。一般情况下,在一个聚类比较明显的网络中,很容易识别聚类之间的关键节点和关键连线。

  可视化分析结果(见图1)显示,太阳能领域研究形成了清晰的文献共被引网络,整体上反映了该领域从分散到集中、从基础到应用的发展脉络。

  20世纪90年代以前,其文献共被引网络呈网状分布(见图1左下),这一时期关键节点相对分散,虽然出现了比较明显的节点,但并未形成主导趋势,这是因为该时期太阳能电池研究尚处于萌芽阶段。1954年,在贝尔实验室诞生了第一个太阳能电池。1960年前后,H.Gerischer等人发现染料吸附在半导体上并在一定条件下能产生电流,这成为光电化学电池的重要研究基础。在随后的30年间,H.Gerischer等研究了各种染料敏化剂与半导体纳米晶间光敏化作用,但是研究产生的光电转换效率始终未超过1%。

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