【能源科技】太阳能过去、现在与未来(二):奈米的力量

作者: 来源:办公生活 时间:2020-06-13 17:10:28 浏览(671)

【能源科技】太阳能过去、现在与未来(二):奈米的力量

许多人认为太阳能电板在製造上已经碰到物理瓶颈,无法再动辄砍半,然而即使电板本身的单位面积製造成本不易再大幅降低,不代表太阳能电池发电成本不能下降,因为太阳能发电成本以瓦计算,而非以单位面积计算,也就是说,即使单位面积成本相同,只要提升每单位面积的光电能源转换效率,发的电增加,相对成本就下降。若假设太阳能电池模组转换效率为15%,增加1%的转换效率,成本就能降低6.25%。

第一太阳能打破纪录 将转换效率提升到16.1%

因此,各大厂无不积极提升转换效率,如碲化镉太阳能电池龙头,美国第一太阳能(First Solar),于4月打破自己所保持的碲化镉太阳能电池模组转换效率记录,从原本的14.4%跃升到16.1%,此外更乐观调高其生产线实际量产产品的转换效率,将2015年的目标从15%调高到16.2%,2016年由16.2%调高到16.9%,2017年由16.4%调高到17.1%。

【能源科技】太阳能过去、现在与未来(二):奈米的力量

2012年第4季,第一太阳能的产品的转换效率约为13%上下,若提升到17.1%,相当于光是转换效率提升的部份,就可让成本降低约24%,因此第一太阳能大胆定下目标,至2013年第一季,其最佳产品每瓦製造成本为64美分,预定到2017年,成本会降到每瓦40美分。

从第一太阳能的例子,可以明白转换效率的提升,让太阳能发电成本还有很大的降低空间──太阳能发电绝非已经无法再降低成本。

正当第一太阳能等厂商1%、2%的提升转换效率时,许多野心勃勃的新技术,则打算以5%,甚至倍增的目标来提升转换效率,他们着眼于奈米科技的力量。

转换效率大跃进──与奈米科技结合

当阳光照射太阳能电池时,有一部份的光,根本没有进入电池,就被表面反射掉了,目前一般太阳能电池的表面反射掉约30%的光能;其次,太阳光有许多波长不同的波段,太阳能电池只能转换其中一部分为电能,而就算是可转换的波段,也不是能完全吸收,有部分会穿过太阳能电池打到基底,这些光能最后都成了废热,而太阳能电池一旦被晒热,转换效率还会更下降。

如果能减少反射、透射的比例,太阳能电池的转换效率自然能更提昇。

美国Bandgap:奈米硅表面,让光线无法逃脱

【能源科技】太阳能过去、现在与未来(二):奈米的力量

许多新技术藉由奈米表面,希望改善反射性,增加吸收率,其中野心最大的是Bandgap,Bandgap发展的奈米硅表面,有如城市中的高楼大厦一般一栋栋直直耸立,或可说像刷子的刷毛一样,如此一来,光照到表面时,不会直接反射,而是在「大楼」间互相散射,最后都被吸收。

Bandgap指出,目前一般的抗反射涂料,只能将反射降到5~8%,而Bandgap的奈米结构,则让光线几乎无法脱逃,只有小于1%的光反射出去,因此吸收的光能大增。Bandgap认为其奈米技术理论上可以达到60%的转换效率,初步目标,则放在38%。

资料来源:

芬兰阿尔托大学:奈米天线阵列,可将光滞留

【能源科技】太阳能过去、现在与未来(二):奈米的力量

photo credit: Aalto University

芬兰的阿尔托大学(Aalto University, A!),也英雄所见略同,提出以奈米表面结构,称为光滞留奈米天线阵列(Light-Trapping Nanoantenna Arrays),用来把光困在里头,以提升吸收率。

阿尔托大学的研究显示,抗反射涂料虽然可将反射降到7%,但是有46%的光线还是透射丧失了,相对的,透过光滞留奈米天线阵列,虽然有20%的光会反射掉,且奈米阵列本身会吸收掉6%的光,不过透射光减少到8%,因此总体吸收量大增。

德国Fraunhofer:以黑硅提升红外光吸收力

【能源科技】太阳能过去、现在与未来(二):奈米的力量

photo credit: Fraunhofer

德国研究机构Fraunhofer则瞄準红外光,目前的太阳能电板无法将红外光转换为电能,有1/4的光能都因此流失,Fraunhofer提出利用奈米结构增加吸收光谱的办法,称之为「黑硅」(Black silicon),研发人员在充满硫蒸气的环境中以雷射击打硅晶表面,创造出无数尖锥状突起,对红外光的吸收力提升,总体来说,约可增加1%的转换效率。

瑞典Sol Voltaics:砷化镓奈米线,转化效率提升1/4

【能源科技】太阳能过去、现在与未来(二):奈米的力量

photo credit: Sol Voltaics

瑞典新创公司Sol Voltaics,则提出直接在太阳能电板表面再加上一层砷化镓奈米线吸收层的办法,Sol Voltaics以特有技术大量製造2微米长,直径100奈米的砷化镓奈米线,做成可像墨水一般涂布在太阳能电板表面,透过这层额外吸收层,转换效率可额外提升1/4,也就是说,转换效率若原本为16%,可提升到20%。

另一个新材料──石墨烯

目前这些奈米技术都在研发阶段,未来量产后,奈米结构还要经得起风吹雨打的考验,不过无论如何,未来奈米技术一定会在太阳能的发展上佔一席之地。

除了奈米技术,许多新的材料科技也都可望大为提升太阳能电池发电的转换效率,如石墨烯(Graphene)就被视为是一个有潜力的新兴材料,理论上最高转换率可达60%。太阳能电池的转换率提升,并非如许多人认为的已到瓶颈,而是百花齐放才刚要开始。

相关资料:


上一篇:
下一篇:

相关文章