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展望:未来五年有望影响光伏技术发展的“黑科技”

2016-11-17 10:16:16| 来源: 中国光伏行业协会| 评论:0| 点击: |

       自1954年美国科学家恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室首次制成晶硅太阳能电池至今,光伏技术发展已有几十年的历史。在最近的2004-2016年,多晶硅技术由于其成本优势,快速扩大产业规模,成为光伏技术的主流。但目前晶硅技术发展已相对成熟,未来转换效率提升的空间将越来越小。因此如何将光伏组件的转换效率及系统效率大幅提升值得我们深入研究。

一、当前光伏技术的发展路径

 
 
       从太阳能电池的技术原理出发,此前的技术创新主要在两个方向上优化。第一是如何最大限度增加光吸收,提高光的使用效率,可称之为“开源”,目前采用的主要方式有增加抗反射层、减少栅线遮挡、采用黑硅及绒面减少光反射、全背面接触电池(IBC)等;第二是如何减小电学损耗、减少复合,使更多的光生载流子可以传输到外接电路中形成电流,可称之为“节流”,为此科学家们采用了多种多样的钝化技术,如局域重掺杂、背钝化、HIT双面钝化等结构及N型材料等,这是当前提高电池片转换效率最有效的方式。
 
 
        二、“开源”将是光伏技术更重要的发展方向
 
    “节流”可以使太阳能电池的转换效率有一定提升,但目前该方向的优化已经接近极限,现有的各种电池结构大多都已在十几年前就被提出了,但由于工艺复杂,成本较高,所以发展相对缓慢;而“开源”则是更为重要的发展方向,它将大大提高电池的转换效率,在这方面还有很大的发展空间。
 
       1、在电池层面,采用叠层电池结构及纳米线或量子点材料作为吸收层有望大幅提升光吸收效率,预计可将电池转换效率提升至25-35%。以钙钛矿电池(带隙可调)为代表的薄膜太阳能电池的发展为叠层电池结构奠定了基础,该电池的稳定性在近半年迅速提升使其向商业化更进一步。洛桑联邦理工学院开发的真空闪蒸处理技术使钙钛矿电池性能更加稳定,韩国科学家采用疏水导电聚合物制备的钙钛矿太阳能电池稳定性也大大提高了,在湿度75%的环境下工作1400多小时,而将钙钛矿材料中加入无机材料可大大提升现有材料的稳定性。最近,香港理工大学研发的钙钛矿/单晶硅叠层太阳能电池,其转换效率已高达25.5%。德国ZSW、卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)及IMEC的科学家团队联合制成了钙钛矿和CIGS薄膜太阳能光伏组件堆,预计未来转换效率也可超过25%。
 
       此外,由丹麦瑞士团队提出的纳米线太阳能电池通过利用纳米线的独特性能,聚光能力是普通光照强度的15倍,这有望突破现有太阳能电池转换效率的理论极限。瑞典公司Sol Voltaics的纳米线太阳能电池技术已能够成功对太阳能电池薄膜纳米线进行校准定位,当将其作为一个PN结串联集成在晶硅组件上时,纳米材料使得光伏组件实现了27%的转换效率。荷兰埃因霍温技术大学科学家通过纳米线太阳能电池可以使转换效率达到17.8%,但其理论效率高达46%,提升空间仍然非常大。
 
        2、在组件层面,低成本的新型聚光、分光等光学装置的应用有望大幅提升组件的转换效率,预计可将组件转换效率提升至35%以上。瑞士企业Insolight开发了可盖在光伏组件顶部的薄塑料层附加装置,该装置是带有许多透明半圆小透镜的注塑成型阵列板,就像是一个小型的放大镜网络,用其对准高性能太阳能电池区域,该装置有望大幅提升组件的光电转换效率。德国弗劳恩霍夫研究所已经对一块该电池的性能进行了独立验证,Insolight声称其转换效率达到了36.4%,可在屋顶应用的潜力非常大。
 
 
       新南威尔士大学(UNSW)的最新研究成果称已获得34.5%的组件转换效率。新装置由嵌入棱镜的四联迷你模块结合而成(大小为28cm2),可以从阳光中提取最大能量。当阳光照射棱镜的时候,四联模块接收器会将阳光分成四束,从而增加收获的能量。可以想象未来多种多样低成本的光学装置在光伏组件中的应用将有望用最简单的方式获得成倍的光吸收效果,从而使大幅提升组件转换效率成为可能,为我们组件设计提供了一种新的思路。
 
       3、在系统层面,智能跟踪器、物联网技术及智能控制云平台的综合应用,有望大幅提高光伏系统效率,降低度电成本。根据GTM发布的《2016年全球光伏跟踪器前景:价格、预测、市场份额和供应商简介》报告,到2021年,光伏跟踪器安装量将增长到37.7GW,占所有地面光伏系统的近一半。目前在国内跟踪器的普及率还比较低,可以想象未来跟踪器市场空间巨大。新型太阳能跟踪器能以更有效的方式追踪太阳光,不再采用现有的主动和被动跟踪器。物联网及智能控制云平台的逐渐渗透可大幅提升系统的效率。在今年10月中国光伏大会上,天合光能就发布了其Trinatracker高可靠智慧型跟踪系统解决方案,未来跟踪器和逆变箱的一体化,搭载智慧云平台的整合系统端解决方案将最大限度降低系统度电成本。SunPower近期发布了第三代绿洲智能平台(Oasis®),该平台利用无人机收集数据,运用配套专业软件对数据进行分析,拟定上千种发电站设计备选方案,并根据客户的预算和发电目标进行自动筛选,最终生成理想的设计方案,设计人员可通过云计算平台查看海量备选方案进行筛选,以确保设计方案能够实现成本和产能的最优化。在电站25年的可靠运行寿命期间通过优化电站中的各模块,预计可将发电量提高35%以上!
 
       三、光伏技术未来发展展望
 
       以上对目前光伏技术最新的亮点做了简要的分析和总结,我们可以看到这些新的技术大多都可与现有的主流晶硅技术进行叠加或是兼容,它们是在现有技术基础上的进一步创新,这些创新技术虽然大多还停留在实验室阶段,真正迈向产业化还有很长的路要走,但它们却为光伏技术创新提供了新的方向和思路。希望我们的科学家及技术工作者可以进一步开拓思路,跳脱出现有技术的束缚,也许下一个光伏技术的颠覆性创新很快就将出现在中国!

作者  中国光伏行业协会 朱彬博士

 

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关键词:技术 科技
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