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光伏材料:廉價用能的關鍵

   2010-03-04 中國化工報中國化工報

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  光伏電池是把太陽光轉化為電能的設備,盡管應用普遍,但只占全球能量生產中的一小部分。按照美國俄亥俄州托萊多大學阿爾文·康帕安博士的說法,2008年全世界生產的電能約為20兆兆瓦,其中僅有0.035%以光伏模式生產。

  《用陽光驅動世界》白皮書指出,光伏技術的推廣受到了高成本硅材料的限制。要讓光伏電池具有廣泛適用性,需要先開發低成本、無毒、儲量豐富的新型光伏材料。

  產能呈指數式遞增

  中國科學院上海技術物理研究所褚君浩博士介紹,光伏技術是由美國貝爾實驗室于20世紀50年代首先開發的太陽能技術。過去10年間,全球光伏電池的產量呈指數式增加。按照褚博士提供的數據,1997年全世界的光伏電池產能約為1.258億瓦,2007 年則增加到37.334億瓦。他預測,今后每年安裝的光伏電池仍將快速增加。保守估計到2012年,這一數字將達到130億瓦。

  光伏電池的生產主要集中在中國,且大部分用于出口。褚君浩強調,雖然過去幾年光伏電池生產有了顯著增長,但該領域的科學技術仍然是科學界的研究熱點。盡管太陽能級硅材料的成本已經從2007年底的每千克350~400美元下降到2008年底的每千克 100美元,但硅仍然是光伏電池生產中成本最高的部分,占單一太陽能電池板成本近60%。

  降低成本是戰略方向

  褚君浩介紹了不同類型的光伏技術。

  晶體硅光伏技術占據市場的主要份額。全世界安裝的所有太陽能陣列中,約87%由晶體硅構成。但當前晶體硅光伏技術的成本過于昂貴,需要不斷減少第一代光伏電池——晶體硅光伏電池的硅片厚度。雖然過去幾年中,硅片平均厚度已從300~350微米變為 150微米左右,但尚未進入市場可承受的范圍。

  與晶體硅電池相比,第二代光伏電池——薄膜光伏電池的效率較低,大多數的轉化效率為5%~10%。此外,薄膜太陽能電池不夠穩定,材料會因暴露于太陽光下而變質。但是,薄膜太陽能電池所需要的原材料要比晶體硅電池少,且不那么昂貴。褚君浩預測,到 2012年,晶體硅光伏電池設備所占比例將從目前的87%跌落到75%,而其余的25%將由薄膜基占據。

  褚君浩還提到了第三代新概念太陽能電池技術——染料敏化太陽能電池(DSSC)。DSSC用染料分子來吸收入射光,比晶體硅電池便宜,但效率比前兩者都低,而且也存在穩定性問題。中國科學院孟慶波博士指出,DSSC的一大優點是較容易生產。在中國,研究人員正在考察DSSC中使用的傳統電解質材料碘化鋰是否可以用更便宜的碘化鋁來代替,以進一步降低成本。

  對于地球是否能提供足夠的材料以滿足大規模太陽能發電的需要,參加第一屆CS3研討會的英國巴斯大學的勞里·彼得博士認為,化學家們需要重新審視過去的工作,采用更適于長期、規模化應用的新材料來進行替代實驗。

  光伏技術未來可期

  褚君浩認為,開發太陽能電池技術應遵循4個步驟:一是改進晶體硅太陽能電池的加工技術,即大幅降低硅成本,改進材料和電池的加工制造工藝,從而使除硅以外的40%成本也有所下降;二是開發薄膜和新概念光伏技術用的新材料,從而在降低成本的同時提高性能;三是不斷開發薄膜和染料敏化光伏技術的新結構、工藝和概念,以提高低成本產品的性能;四是各領域科學家聯合起來,共同尋找突破口。

  就大規模電力傳輸而言,褚君浩提出了一個問題:正在探索和開發的多種光伏技術中,哪一種最成功?他分析,從效率來講硅仍然是最好的材料,未來10年硅基電池成本可望更易于接受,因為它們所用的硅將更少。他還預測,分子有機太陽能電池將因低成本而占有重要地位,不過在實現大規模應用之前,其效率和穩定性還需要改進。

 
 
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