第三代光伏电池

第三代光伏电池是太阳能电池,可能能够克服单个带隙太阳能电池的Shockley-Queisser限制31-41%的功率效率。 这包括由半导体pn结(“第一代”)和薄膜电池(“第二代”)制成的电池的一系列替代品。 常见的第三代系统包括由非晶硅或砷化镓制成的多层(“串联”)电池,而更多的理论发展包括频率转换,(即改变电池无法使用的光频率以达到电池可以发光的频率使用 – 从而产生更多功率),热载流子效应和其他多载波弹射技术。

新兴光伏发电包括:

铜锌锡硫化物太阳能电池(CZTS),衍生物CZTSe和CZTSSe
染料敏化太阳能电池,也称为“Grätzel电池”
有机太阳能电池
钙钛矿太阳能电池
量子点太阳能电池

尤其是钙钛矿细胞研究的成果在公众中引起了极大的关注,因为他们的研究效率最近飙升至20%以上。 它们还提供各种低成本应用。 此外,另一项新兴技术 – 聚光光伏(CPV),将高效的多结太阳能电池与光学透镜和跟踪系统结合使用。

技术
太阳能电池可以被认为是无线电接收器的可见光对应物。 接收器由三个基本部分组成; 将无线电波(光)转换成天线材料中的电子波状运动的天线,当电子从天线末端弹出时捕获电子的电子阀,以及放大所选频率的电子的调谐器。 可以构建与无线电相同的太阳能电池,称为光学天线的系统,但迄今为止这些还不实用。

太阳能电力市场的大部分由硅基器件组成。 在硅电池中,硅既作为天线(或电子供体,技术上),也作为电子阀。 硅是广泛可用的,相对便宜并且具有适合太阳能收集的带隙。 在缺点方面,批量生产硅在能量和经济上是昂贵的,并且已经做出很大努力来减少所需的量。 此外,它是机械上易碎的,其通常需要一片强力玻璃用作机械支撑和保护元件。 仅玻璃是典型太阳能模块成本的重要部分。

根据Shockley-Queisser限制,大部分细胞的理论效率是由于带隙和太阳光子之间的能量差异造成的。 任何能带比能带隙更多的光子都会引起光激发,但是带隙能量以上的任何能量都会丢失。 考虑太阳光谱; 只有一小部分光到达地面是蓝色的,但那些光子的能量是红光的三倍。 硅的带隙为1.1 eV,约为红光,因此在这种情况下蓝光的能量在硅电池中会消失。 如果将带隙调高,比如蓝色,那么现在可以捕获能量,但这只能以拒绝低能量光子为代价。

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通过将具有不同带隙的薄层材料堆叠在彼此之上 – “串联电池”或“多结”方法,可以极大地改善单结电池。 传统的硅制备方法不适合这种方法。 已采用非晶硅薄膜代替,尤其是Uni-Solar的产品,但其他问题阻碍了这些薄膜与传统电池的性能相匹配。 大多数串联电池结构基于更高性能的半导体,特别是砷化镓(GaAs)。 对于实验例,三层GaAs电池的效率达到41.6%。 2013年9月,四层单元的效率达到44.7%。

数值分析表明,“完美”单层太阳能电池应具有1.13 eV的带隙,几乎与硅的带隙相同。 这样的电池可以具有33.7%的最大理论功率转换效率 – 低于红色(红外线)的太阳能损失,并且更高颜色的额外能量也会丢失。 对于双层电池,一层应调至1.64 eV,另一层调整为0.94 eV,理论性能为44%。 应将三层电池调谐至1.83,1.16和0.71 eV,效率为48%。 对于漫射光,理论上的“无限层”单元的理论效率为68.2%。

虽然已经发现的新太阳能技术以纳米技术为中心,但目前使用了几种不同的材料方法。

第三代标签包含多种技术,但它包括非半导体技术(包括聚合物和仿生学),量子点,串联/多结电池,中频带太阳能电池,热载体电池,光子上转换和下转换技术以及太阳能。热技术,如热光子学,这是格林认定的第三代技术。

它还包括:

硅纳米结构
修改入射光谱(浓度),达到300-500太阳,效率达到32%(已在Sol 3克 细胞)至+ 50%。
使用过量的热量产生(由紫外线引起)以增强电压或载流子收集。
使用红外光谱在夜间发电。

第四代:混合动力
与目前的第三代太阳能电池(3Gen)相比,下一代太阳能电池基于无机有机物提供了改进的能量转换效率,同时增加了其基本成本。 它们在同一层内结合了导电聚合物薄膜(有机)的低成本和灵活性以及纳米结构(无机)的寿命稳定性,并利用这些新型混合活性材料(有机/无机)的性能来提高性能超越3Gen设备。

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