迎接太阳能电池的纳米时代--利用纳米技术研发超薄太阳能电池板

作者:本网编辑 文章来源:《流程工业》(化工) 发布时间:2010-07-05


有机太阳能电池非常柔韧、很薄,就像透明的外壳一样。玻璃基板利用旋转涂膜法进行涂膜。在这一过程中,基质与适合于感光染料太阳能电池板(Farbstoffsolarzelle)材料的金属膜一起涂镀到基板上,形成一层几纳米薄的薄膜。将喷涂的基质放在铝板上,用染料溶剂滴定。在铝板6000r/min的高速旋转下,溶液将均匀的分布在基质表面。

 
纳米级有机太阳能技术的应用将使太阳能电池的价格更加低廉,生产制造过程更加简单。德国的化学工业企业在这一技术的研发中处于前列。

在德国近期举办的“纳米与经济——未来能源供应的纳米技术和材料技术”展览会上,德国Hessens地区的经济部长Alois Rhiel博士在开幕发言中表示:“新材料和新技术的研发是实现可持续发展的关键。”无可置疑,在可再生能源技术领域中,纳米技术有着很大的市场潜力。德国教育和研究部部长Wolf-Dieter Lukas博士强调说道:“纳米材料能够使传统的太阳能电池的效率提高50%,是生产可靠的高性能蓄电池的关键。”而在不连续和不稳定的能源生产中,例如在太阳能和风力发电中,能源的储存有着非常重要的意义。

在传统的硅晶体太阳能电池中,提高效率只能通过加强反射提高光效率来实现。因此,想要真正提高太阳能的利用率就要从研发新的太阳能电池入手,例如纳米技术的超薄太阳能电池板,既可以是传统的硅晶体材料纳米超薄电池板,也可以是其他材料的纳米超薄太阳能电池板,例如铜、铟、硒、颜料太阳能电池板或者聚合物太阳能电池板。杜塞尔多夫市VDI技术中心的Wolfgang Luther博士证实道:“有机太阳能电池板由于其低成本和灵活方便的成型性能在太阳能技术领域有着很大的应用潜力。”

超薄型太阳能电池板

位于Hanau市的Evonik工业公司正在进行纳米超薄太阳能电池板的研发生产工作。目前,90%的光伏技术采用的还是单晶体的和多晶体的硅晶体材料,尽管它有着较高的效率,但是它的生产过程费时费力。Evonik公司的项目负责人Claudius Neumann博士介绍说道:“我们的未来型产品是柔性的纳米超薄太阳能电池板。”借助于滚动条式工艺(reel-to-reel),未来将能够经济、连续的生产这种太阳能组件。而且,采用这种滚动条式工艺(reel-to-reel)后,传统类型的聚合物基导电薄膜在持久性、机械稳定性和工作时的电可靠性方面都有了明显的提高。一方面,钎焊的太阳能电池板放置在热硬性的塑料板上,有着很好的机械负荷的保护作用;另一方面,太阳能电池板的背面用薄膜隔离开来,避免环境气候的影响,并能够防止电压击穿。

对纳米超薄太阳能电池板的特殊要求体现于覆盖在太阳能电池板前面的玻璃上。这块玻璃上有一层透光率很高的薄膜,它既要有很高的光伏作用,又需要对环境气候影响以及机械损伤有很好的防护作用。因此,要在传统的塑料处理基础上进行相应的表面功能处理,减小其渗透性,降低潮气和粉尘侵入的可能性。满足这一要求的涂层工艺技术解决方案可以是包装材料生产中常用的标准工艺技术。在标准工艺中,首先是在真空中通过电子轰击进行金属氧化(硅或者铝),在塑料表面形成一层薄薄的纳米层。

经过研发人员的共同努力,在不久的将来,会出现替代玻璃的聚合物。这种太阳能电池模块具有全反射的性能,比传统的滚动条式工艺(reel-to-reel)制造出来的产品更加经济。按照这种方法可以制造出重量更轻的太阳能电池板,无需其他的辅助构件即可方便的安装到屋顶。Neumann先生表示,目前的研发重点在于将聚合物转换为高温基质,从而省略沉积过程。”目前Evonik公司在研发中使用的聚合物为聚醚醚酮和聚酰亚胺。

有机太阳能技术的工业创新

柔韧、轻巧和经济的太阳能电池板也是Basf、Bosch、Merck和Schott公司参加的,有机太阳能论坛(OPV)的技术创新目标。2007年年中时,参加有机太阳能论坛的企业同意投资3亿欧元在有机太阳能技术领域中进行研究与开发。Hessens地区的经济部也准备了6千万欧元的合作项目资金。这种新型太阳能电池材料的优点在于能够极大地降低太阳能电池板的生产费用,具有很好的生产前景。它的优点还包括:透明的太阳能电池板可以粘贴在窗户上或者屋顶上,能够卷成卷的太阳能电池板可以制作成较大的面积、进行大面积的敷设,利用电子和集成供电技术的新型太阳能电池板可以配置成全新的集成式太阳能供电系统。

在OPV论坛中,不仅是薄膜层和薄膜的结构达到了纳米级(10~200nm),而且重要的生产过程:太阳能吸收-电荷生成-电荷分离-电荷传输-电荷存储都达到了纳米级的水平。目前的研发重点是材料方面的研究,例如可溶解的半导体材料,宽频的可吸收的聚合物,使用寿命长的物质和经济的基质系统,例如薄膜。在生产流程方面,研发的重点则是在基础材料上大面积涂覆薄膜的结构化技术和涂覆工艺技术,以及纳米薄膜太阳能电池板的封装工艺技术。OPV论坛联合开发项目中,Merck公司的成员Armin Leng博士强调说道:“我们到2015年的目标是提高效率10%,延长使用寿命3~5年,并实现低成本生产。”

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