从太阳获取更多的能量如何制造更好的太阳能电池

Tara P. Dhakal

随着发展中国家的工业化，全球对于能源的需求正实时增长。专家们估计，到2050年，全球电力需求可能达到30太瓦。

太阳能是无限的——在任意瞬间，太阳提供的能量约为120000太瓦，而这些能量都是免费的。但今天，太阳能仅提供了全球所用电能的百分之一。其中，最关键的挑战是如何以低成本将光能转换成可用的电能。

为了实现该目标，我们需要找到能够吸收阳光并能够有效地将阳光转换成电能的材料。此外，我们希望这些材料丰富，环境友好，并且对于制造太阳能设备而言具有良好的成本效益。

目前，来自全世界的研究人员正致力于开发有效和可行的太阳能电池技术。其目标是，将太阳能电力的安装成本从今天的每瓦特3美元降低到每瓦特1美元。

在宾汉姆顿大学的自主太阳能中心（CASP），我们研究了如何使用自然中丰富并无毒的材料来制造薄膜太阳能电池。我们希望开发出制造成本低廉的、能够可靠并高效地将阳光转换成电能的太阳能电池。

我们已经确认了具有较大潜能作为太阳能吸收器的两种材料：黄铁矿，由于其金属光泽其也被称为“愚人金”；以及，铜-锌-锡-硫（CZTS）。

寻找理想的材料

今天的商业太阳能电池由三种材料：硅、碲化镉（CdTe），以及铜-铟-镓-硒（CIGS）中之一制成。这三者各有优缺点。

硅太阳能电池具有高效率，能够将落在电池上的25%的太阳光转换成电能，并且非常耐用。然而，将硅处理成晶片十分昂贵，并且这些晶片必须非常厚（约0.3毫米，这对于太阳能电池而言很厚）才能吸收落在其上的太阳光，这将导致成本进一步地增加。

硅太阳能电池—通常被称作第一代太阳能电池——在屋顶上作为熟悉的景色而被人们所使用。我们中心正在研发另一种类型的太阳能电池，其被称为薄膜太阳能电池，这是下一代太阳能技术。正如其名字所暗示地，薄膜太阳能电池是通过将太阳能吸收材料的薄膜布置在通常为柔性的基底（例如玻璃或塑料），上而制成。这些太阳能电池使用更少的材料，因此，它们比由硅制成的晶体太阳能电池便宜。因为不能在柔性基底上涂覆晶体硅，因此我们需要不同的材料来作为太阳能吸收器。

尽管薄膜太阳能技术得以迅速发展，但是今天某些薄膜太阳能电池的材料仍然是稀少和有害的。例如，碲化镉中的镉对于任何生物而言都是剧毒，并已知其能够导致人类癌症。碲化镉在高温条件下会分解成镉和碲，因此将存在严重的吸入风险。

因为黄铁矿和CZTS无毒且相当便宜，因此我们正尝试使用黄铁矿。黄铁矿在地壳之间含量丰富，并能够有效地吸收太阳光的可见光谱。这些膜的厚度可以是一毫米的1/1000。

制造太阳能电池，需要将这些材料结晶，可通过加热来完成结晶过程。与硅的1200摄氏度或更高的结晶温度相比，在600摄氏度以下就可将CZTS结晶，这将使得处理过程更加便宜。其性能与目前市售的高效铜铟镓硒（CIGS）太阳能电池类似，却以更便宜和更丰富的锌和锡替代这些电池中的铟和镓。

然而，目前，CZTS太阳能电池的效率还较低。与更贵的CIGS太阳能电池的20%的转换效率相比，其仅能将落在其上的太阳光的13%转换成电力。

CZTS太阳能电池具有达到30%效率的潜力。目前主要的挑战有：（1）合成不含任何杂质痕迹的高质量的CZTS薄膜；（2）发现适合作为帮助收集阳光在吸收层产生的电子的“缓冲层”的材料。

实验室已经生产出具有7%效率CZTS薄膜，而人们希望通过合成高品质的CZTS层并找到合适的缓冲层，来尽快接近15%的效率。

黄铁矿是能够在非常低的温度下就进行结晶的潜在吸收器。实验室合成了黄铁矿薄膜，并正在努力将薄膜堆成太阳能电池。该过程十分具有挑战性，因为当黄铁矿暴露在湿热环境中时，其很容易分解。科学家们正在研究如何在不影响其太阳能吸收性能和机械性能的情况下使其更加稳定。

在最近的一项研究中，美国斯坦福大学和加州大学伯克利分校的研究人员估计，在2050年，太阳能发电可以提供高达美国电力的45%，为了实现该目标，需要不断降低太阳能发电的成本，并设法使太阳能电池更具可持续性。丰富的，无毒材料是实现太阳能发电的关键。

甘政涛，博士研究生

（中国科学院力学研究所）

Gan Zhengtao， Doctoral Candate

（Institute of Mechanics，CAS）Sean-moran

Wildfires，Water and

Wildlife

May 13， 2016

http：//sci.keycane.com/2016/05/14/

wildfires-water-and-wildlife/