新型太阳能产品及技术新突破

■ 李忠东 编译

新型太阳能产品及技术新突破

■ 李忠东 编译

3　D打印的太阳电池板“纸”可为整栋楼供能

太阳电池板正在逐步改变着我们的能源获取方式，已被越来越多的人认可和接受。当前，晶体硅是最主要的电池板材料，但制作成本很高，难以普遍推广。

为了改变上述状况，世界各国的科研人员都在积极尝试使用“增材制造”(AM)技术来优化太阳电池板的生产工艺，以实现建造自我供电的新一代房屋的梦想。AM技术是采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术，相对于传统的材料去除——切削加工技术，是一种“自下而上”的制造方法。AM技术近20年来取得了快速发展，“快速原型制造”“3D打印”“实体自由制造”类叫法分别从不同侧面表达了这一技术的特点。

过去几年间，一个由澳大利亚50位科学家组成的团队一直在通过AM技术研发一种有机可打印的太阳电池板，现在已取得成功。它虽然只有纸一样薄，但优势明显，供电能力一点也不差。有趣的是，将这种太阳电池板贴合在建筑物上，甚至能为一整栋摩天大楼提供源源不断的能源。研究人员通过反复攻关，改进了一种3D打印机，可使用太阳能墨水来制造太阳电池板。与传统的硅基太阳电池板相比，这种新产品不仅轻薄，制作成本也非常低廉，使用方法如同连接电池一样简单。它可在屋顶或玻璃等实际的房屋上直接利用3D打印技术打印出来，节省了制造电池板的诸多繁琐环节。

3D打印以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体。它实际上是利用光固化和纸层叠等技术的最新快速成型装置，与普通打印机工作原理基本相同。打印机内装有液体或粉末等“打印材料”，与电脑连接后，通过电脑控制把“打印材料”层层叠加，最终把计算机上的蓝图变成实物。

目前，研究人员已成功借助改进型的太阳能墨水3D打印机将每个有机太阳电池单元减小到只有硬币大小的体积。这种太阳电池板物美价廉，样子和工作方式与传统的硅基太阳电池板都有所不同。科学家试图将这些小巧体积的产品用于大型建筑物以外的小物体上。如果这一设想能实现，那么风靡全球的苹果平板电脑表面、笔记本背包和手机外壳等将成为能源收集器，为这些可移动设备提供电能。

研发团队希望此种太阳电池板项目能够得到政府的支持，如果得以大规模推广，将减少一些发达国家对传统能源的依赖，同时为发展中国家处于电网之外的偏远地区提供一种低成本、高效率、可实行的电力来源。如此就可不必担心能源匮乏问题，而且还会缓解因化石能源带来的环境污染问题。墨尔本大学和蒙纳士大学组成的合作机构甚至已经开始考虑如何将这项技术送到世界上那些几乎用不上电的偏远地区。研发者希望能够在不远的将来，以低能源为应用起点，逐步实现这种新型发电装置的商业化制造。此种太阳电池板计划面向市场进行推广，相信以目前的发展速度，这样美好的未来很快就会到来。

背包式太阳电池让士兵告别沉重负担

随着太阳能供电背包的突破性发展，澳大利亚陆军再过几年就可告别沉重的电池负担。士兵们在一次为时72 h的训练任务中，测试了澳大利亚国立大学(ANU)开发的易弯曲的“薄条”太阳电池技术，证明完全可用于商业销售。硅电池虽然仅长6 cm、宽1.5 mm，但组合在一起时可用于包括GPS装置和夜视镜在内的各种电子设备。太阳电池板还能为微型摄像机和传感器供电，而用普通电池就无法做到这一点。因为可不断地对太阳电池板充电，所以在执行数天、数周或数月任务时都能保证有电能可用。

“士兵们有时要携带数千克重量的电池，如果能够取消其中的大部分，并用可充电电池取而代之，可以省掉不少电池，携带的重量就更轻。”主持这项研究的澳大利亚国立大学可持续能源系统中心主任安德鲁·布莱克斯教授表示：“太阳能电池背包不仅可以减轻士兵的负荷，还可以有更长的续航力。”

刚开始时，科学家打算用玻璃开发这种电池，但确保易弯曲的要求使他们想到了应用塑料的可能性。另外，适合使用这种易弯曲轻便电池的民用产品数量也很巨大。经过反复研究和实验，最后推出一种可以编织成织物、容易弯曲、重量轻的电池。

由于试验不同寻常，澳大利亚国立大学开始与工业合作伙伴一起将项目成果商业化。尽管这种太阳电池有可能进入军用市场，但像许多军用资源一样，预计将吸引更广泛的客户群。

新型喷涂技术将光电转换效率提升约11％

据英国《每日邮报》报道，英国谢菲尔德大学的一个科研团队成功将一种喷涂技术用于钙钛矿太阳电池板的研制，应用这种材料与技术有助于降低太阳能发电的成本。在此之前，这所大学物理与天文学院及化学与生物工程学院的专家就曾使用喷涂技术来生产有机半导体材料的太阳电池。而这次采用钙钛矿材料，可称得上是在这个基础上的一大突破。

在2012年，基于金属卤化物钙钛矿的光电材料第一次对外展示。由于这项技术能将高效率和低成本很好地结合起来，因此现在已成为太阳电池领域非常有前景的选择材料。特别值得一提的是，运用像汽车喷漆与图像打印产业那样的材料喷涂技术，不但可最大限度地减少材料的浪费，而且更适合大规模的生产性应用。谢菲尔德大学科研团队发现，通过喷涂钙钛矿材料层，可将原先的太阳电池板效率提升约11％。

这项成果有力推进了现有的研究开发工作，标志着钙钛矿涂层技术将开始逐渐走出实验室。这是迈向高效而低成本太阳电池板的关键性一步，科学家希望通过采用集约的喷涂工艺能够将成本进一步降低。

有机太阳电池板的最佳能效转换功率约为10％，目前采用钙钛矿材料的太阳电池板已达到19％的转化效率，较接近硅材料太阳电池板25％的转化效率。而在太阳能光伏电池市场上，硅材料太阳电池板是占据绝对垄断地位的产品。

“时至今日，人们对基于钙钛矿的光电材料非常感兴趣。更重要的是，这款材料将有望把成熟太阳电池材料的高表现和有机光电材料的低成本制造结合起来。”谢菲尔德大学科研团队的首席科学家大卫·利兹教授指出：“我们研发的钙钛矿材料太阳电池板仍然采用与有机太阳电池板相似的结构，所做的主要是更换了其核心的光吸收层材料——有机物层，并将其替换成了喷涂的钙钛矿材料层。采用钙钛矿层取代有机物吸收层，让产品的能量转化率出现了显著的提升。”

作为光伏领域的一名新“成员”，钙钛矿材料太阳电池的能量转换效率已提高到

15％以上。基于有机-无机杂化的钙钛矿结构半导体材料中最常见的三碘离子化合物往往具有高的载流子迁移率，加上较长的载流子寿命，意味着光生电子和空穴能够移动足够的距离而被外电路收集形成电流，而不是在电池中以热能的形式损耗它们的能量。在促进和推广太阳能应用方面，钙钛矿材料太阳电池起到重要作用。科学家表示，它之所以具有很好的商业应用前景，有3个主要因素：一是能量转换效率，二是成本，三是稳定性。

人类面临的能源和环境问题日益突出，开发包括太阳能在内的新能源和可再生能源已成为世界范围的重大课题，随着政府、研究机构和企业投入的不断加大，光伏产业的革命性发展结果可以预期。光伏发电在2030年将成为成熟的主要的能源技术，到2050年可能成为全球性主导能源之一。通过市场主体的企业和研究机构的不断努力，加上政府对新兴产业的战略性支持，可以确保和加速整个进程的实现，光伏产业的明天一定会更加绚烂多彩。