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据美国麻省理工学院官网消息,该校科学家首次证明,使用太阳热光伏设备,太阳能电池的光电转化效率有望突破理论限制。

据美国麻省理工学院官网消息,该校科学家首次证明,使用太阳热光伏设备,太阳能电池的光电转化效率有望突破理论限制。 最新研究的基本原理很简单:不让太阳能电池内无法使用的能量以热的形式散失,所有能量和热首先被一个中间元件吸收,让元件达到能释放热辐射的温度。通过调谐添加层的材料和构造,辐射能以合适波长的光释放出来,而这一波长的光刚好能被太阳能电池捕获,从而提高系统的光电转化效率并降低太阳能电池的热生成。 研究的关键在于使用了加热时能释放出精确波长光的纳米光子晶体。在测试中,纳米光子晶体被整合进一套拥有垂直对齐的碳纳米管系统中,当该装置加热到1000摄氏度时,光子晶体会持续释放出波长与近邻光伏电池能捕获的波段精确匹配的光,光伏电池捕获此光后,会将其转化为电流。研究人员使用一种拥有STPVs组件的光伏电池进行了测试,结果与理论预测匹配。 1961年起人们就知道,传统太阳能电池的光电转化效率存在肖克利奎伊瑟效率极限。对目前太阳能电池板广泛使用的单层硅基太阳能电池来说,转化极限为32%。但有方法能提升太阳能电池板的总效率,例如使用多层电池,或者在其中使用STPVs设备,在生成电能之前将太阳光先转化为热。发表在新一期《自然能量》杂志上的最新研究使用的正是后一种方法。 研究作者戴维比尔曼称,理论预测指出,让传统太阳能电池与其他高科技材料层携手,能让转化效率达到理论限制的两倍多。与传统光伏设备相比,这套新系统优势明显。首先,光子设备基于热而非光产生辐射,这意味着它将不受环境中细微变化的影响;其次,它耦合了一个热存储系统,能持续不断利用太阳能。研究表明,我们实际上能突破肖克利奎伊瑟效率极限。接下来,他们打算制造更大版本的这种太阳能电池,并找到降低制造成本的方法。来源:科技日报

想象一下,在不远的未来,要捕捉太阳能,不再需要昂贵的光伏电池板,只需要购买几桶涂料,涂在屋顶、外墙或任何接触阳光的表面,就可以将它们变成巨大的光伏电池板。

据物理学家组织网7月12日报道,美国科学家设计出了一款新型太阳能电池并制造出了模型。这种太阳能电池整合了多块电池,这些电池堆叠成能捕获太阳光谱几乎所有能量的单个设备,可将44.5%的直射太阳光转化为电力,有潜力成为世界上最高效的太阳能电池,而目前大多数太阳能电池的光电转化效率仅为25%。

中国化工仪器网 技术前沿】据7月12日获悉,美国科学家设计出了一款新型太阳能电池并制造出了模型。这种太阳能电池整合了多块电池,这些电池堆叠成能捕获太阳光谱几乎所有能量的单个设备,可将44.5%的直射太阳光转化为电力,有潜力成为世界上的太阳能电池,而目前大多数太阳能电池的光电转化效率仅为25%。 不同于我们在屋顶或田间常见的太阳能电池板,新的太阳能电池设计方法使用聚光型太阳能电池板,可将太阳光集中在微型太阳能电池(面积不到1平方毫米)上。重要的优势有两点,首先,其基座来自锑化镓材料家族,这种材料广泛应用于红外激光器和光电探测器内。锑化镓基太阳能电池被组装成一个堆叠结构,就像过滤太阳光的滤网一样,每层都有专门材料吸收特定波长的能量。其次,这种堆叠工艺使用所谓的转移打印技术,使这些小型设备可以地立体组装在一起。 该研究主要作者、乔治华盛顿大学的马修·鲁姆说:“到达地球表面的直射太阳光中,99%的能量位于波长250纳米和2500纳米的光之间,但传统的多结太阳能电池的材料不能捕获整个光谱范围内的所有能量,而新设备可以。” 目前这种特殊的太阳能电池由于所用材料昂贵而“身价”不菲,但研究人员相信,它对于研究光电转化效率的上限非常重要,未来有望降低成本,研制出更廉价的同类产品投入市场。 研究发表在新一期的《先进能源材料》杂志上。 编辑点评 新的太阳能电池设计方法使用聚光型太阳能电池板,可将太阳光集中在微型太阳能电池上,其堆叠工艺就像过滤太阳光的滤网一样,每层都有专门材料吸收特定波长的能量,能够成成功捕获整个光谱范围内的所有能量,它对于研究光电转化效率上限具有重要意义。 (原标题:新电池模型光电转换率高达44.5%)

最新研究的基本原理很简单:不让太阳能电池内无法使用的能量以热的形式散失,所有能量和热首先被一个中间元件吸收,让元件达到能释放热辐射的温度。通过调谐添加层的材料和构造,辐射能以合适波长的光释放出来,而这一波长的光刚好能被太阳能电池捕获,从而提高系统的光电转化效率并降低太阳能电池的热生成。

想要减少电费,一种方法是利用无处不在的免费能源———阳光。但首先,你得拿出一大笔钱,请专家上门在你家屋顶上安装沉重而低效率的光伏电池板。现在,有一种方法可以利用免费太阳能,且不用请专家,不用花大钱购买光伏电池板。假如,只需要上商店购买一桶涂料,花一个下午自己把屋顶涂满新买来的涂料,再请一个电工将电线连接上屋顶,就能让你家彻底脱离电网,实现能源自给自足?

不同于我们在屋顶或田间常见的太阳能电池板,新的太阳能电池设计方法使用聚光型太阳能电池板,可将太阳光集中在微型太阳能电池(面积不到1平方毫米)上。最重要的优势有两点,首先,其基座来自锑化镓材料家族,这种材料广泛应用于红外激光器和光电探测器内。锑化镓基太阳能电池被组装成一个堆叠结构,就像过滤太阳光的滤网一样,每层都有专门材料吸收特定波长的能量。其次,这种堆叠工艺使用所谓的转移打印技术,使这些小型设备可以精确地立体组装在一起。

研究的关键在于使用了加热时能释放出精确波长光的纳米光子晶体。在测试中,纳米光子晶体被整合进一套拥有垂直对齐的碳纳米管系统中,当该装置加热到1000摄氏度时,光子晶体会持续释放出波长与近邻光伏电池能捕获的波段精确匹配的光,光伏电池捕获此光后,会将其转化为电流。研究人员使用一种拥有STPVs组件的光伏电池进行了测试,结果与理论预测匹配。

这正是一种新的光伏材料许诺的美好前景。这种材料利用材料两面的温度差别产生电流,一度因为效率太低,造价昂贵,被认为难以用于实际应用。但新研究发现,温差发电材料可拯救太阳能光伏产业,解决光伏电池板致命的光-电转化效率低的问题。温差发电材料可帮助太阳能电池板走出低谷,发挥更大用途,但另一方面,它们也可能导致光伏电池板的没落。

该研究主要作者、乔治华盛顿大学的马修·鲁姆说:“到达地球表面的直射太阳光中,99%的能量位于波长250纳米和2500纳米的光之间,但传统的高效多结太阳能电池的材料不能捕获整个光谱范围内的所有能量,而新设备可以。”

1961年起人们就知道,传统太阳能电池的光电转化效率存在肖克利·奎伊瑟效率极限。对目前太阳能电池板广泛使用的单层硅基太阳能电池来说,转化极限为32%。但有方法能提升太阳能电池板的总效率,例如使用多层电池,或者在其中使用STPVs设备,在生成电能之前将太阳光先转化为热。发表在新一期《自然·能量》杂志上的最新研究使用的正是后一种方法。

早在半个世纪前,人们已经开始梦想将温差发电材料与光伏材料结合。1954年,太阳能先锋玛丽亚·特尔克斯用一张温差发电材料吸收太阳热量,并成功将热能转化为电能。材料一面的热能释放出的电子流向温度较低的一面,导致温度高的一面带正电,温度较低的一面带负电。特尔克斯用这种方法成功生成电流,但是只有很少一点。光-电转化的效率非常低,最成功的一次实验转化率仅有1%。这和当时的硅太阳能电池板的效率相差并不多。然而,到上世纪50年代末,硅太阳能电池的效率提高了两倍,达到6%-8%。而太阳能温差发电材料的效率依然保持在1%。因此,新生的太阳能光伏产业迅速抛弃了这种技术,大力发展硅光伏电池板。上世纪70至80年代,硅太阳能光伏电池板开始大批出现在屋顶上。

目前这种特殊的太阳能电池由于所用材料昂贵而“身价”不菲,但研究人员相信,它对于研究光电转化效率的上限非常重要,未来有望降低成本,研制出更廉价的同类产品投入市场。

研究作者戴维·比尔曼称,理论预测指出,让传统太阳能电池与其他高科技材料层携手,能让转化效率达到理论限制的两倍多。与传统光伏设备相比,这套新系统优势明显。首先,光子设备基于热而非光产生辐射,这意味着它将不受环境中细微变化的影响;其次,它耦合了一个热存储系统,能持续不断利用太阳能。“研究表明,我们实际上能突破肖克利·奎伊瑟效率极限”。接下来,他们打算制造更大版本的这种太阳能电池,并找到降低制造成本的方法。

在接下来的几十年里,温差发电材料几乎完全被忽视。除了可怜的发电效率之外,这种材料本身———原料通常采用碲化铋等稀有元素———价格昂贵,相对于卑微的产出实在不划算。只有在极其罕见的情况下,在没有其他选择的时候才可能被采用。比如,在“旅行者”号太空探测器上,温差发电材料利用一小块放射性材料和寒冷外太空的温度差异为探测器提供电源。

研究发表在最新一期的《先进能源材料》杂志上。

但是,不久之后,硅太阳能光伏电池板的发展也遭遇瓶颈。虽然研究者想尽各种办法,今天销售的光伏太阳能电池板的效率依然在15%至20%之间。这和它们将阳光转化为电能的方式有关。当光线照射太阳能电池表面时,一部分光子被硅材料吸收;光子的能量传递给了硅原子,使电子发生越迁,形成电流。但问题在于,光子必须携带适量的能量。超出这个能量范围就会发生问题。如果光子携带能量太多———比如高能紫外线所携带的能量———它们的热量会给材料造成混乱。另一方面,如果光子携带能量太低———比如微波或红外光的光子———就会直接穿过电池板,不与任何电子发生反应。

不幸的是,这些低能光子在太阳光谱中所占比例接近一半,因此,太阳能电池板的效率无法超过50%。更糟糕的是高能光子会对光伏材料精密的电子结构造成破坏:在高热下电子开始到处乱窜,而不是有序地流动。因此,约一半的太阳光子无法利用,少数能量充足的光子反而会影响电池板的效率。虽然可以通过冷却来减少电池板过热产生的副作用。但这将导致成本和体积增加,冷却过程还需要消耗能量,构成了限制光伏太阳能电池板效率的三大敌人。

或许可以用温差发电材料帮助解决这些问题?2007年,麻省理工学院的陈钢开始思考,是否能重新挖掘出这种早已被忽视的材料,帮助太阳能电池充分利用各种波长的太阳光。

这是一个诱人的想法。理论上也得到了证实。结合温差发电材料和光伏材料的太阳能电池可以疏导高能光子,从而给电池降温,并且温差发电材料可捕捉低能光子发电,充分利用所有阳光。

理论上,结合两种材料的最好方式是“光谱分裂太阳能电池”。它类似于交通警察,根据波长将阳光分隔。按照陈钢的计算,类似混合电池的效率将是标准硅太阳能电池的1.5倍,这样的飞跃可能最终让太阳能在价格上与化石燃料竞争。但是有一个问题:“要实现‘光谱分裂’需要太阳能聚光器和分光棱镜。”增加的成本已经超过增加效率带来的利润。

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也许更好的选择是一种更简单的东西。与其建造一个复杂的结构疏导低能光子,为什么不让它们直接穿过太阳能电池进入下面的温差发电层?再下面的冷却管道可吸收高能光子的热能。热电池板和冷水为夹在中间的温差发电层提供理想的温差。但即使如此,温差发电层捕捉到的多余能量依然不足以弥补材料的花费。必须解决最根本的问题:温差发电材料昂贵的价格。

它的发电方式也是导致低效率的罪魁祸首。当材料一面变热,电子脱离原子,迁移到冷的一面。难度在于保持材料两面的温差。电子并非唯一穿透材料的东西:热以光子的形式传播,从一个原子传递给另一个原子。冷的一面很快也将因为热传导而变热,这时候,电子将不再朝着一个特定方向流动,而是无序地乱窜。当然再也无法生成电流。

9778818威尼斯官网光伏涂料温差发电现巨大潜力,苏州市科学技术局。在长达半个世纪的时间里,这个问题一直得不到解决。直到纳米技术出现。现在,研究者可以从最细微的层面控制材料的结构。

在硅等晶体材料中,所有原子都有序规则排列。使得电子和光子可以畅通无阻地穿过。相反,在玻璃等原子排列混乱的材料中,电子和光子的流动都受到阻碍。通过纳米技术可以创造出只让电子通过的合成材料。纽约哥伦比亚大学的尹慧明和杨大江采用了一种量子点基础材料。量子点材料诞生于约30年前,像传统太阳能电池一样,它可以捕捉光能,转化为电能。它可以让普通温差发电材料的效率接近翻倍。夹在水冷却光伏发电系统中间,这种材料可以将太阳能电池的效率提高到超过50%。

亚利桑那大学的查尔斯·斯塔福德在创造一种类似装置的过程中意识到还有一种可能性,它甚至可能重塑整个太阳能产业。假如可以完全放弃挑剔的光伏电池?假如能够找到一种高效率的阳光捕捉材料,从而完全取代太阳能电池?如果它足够便宜,那么即使它的峰

为此,他必须放弃半导体,寻找一种全新材料。他发现一种叫聚苯基醚的聚合物可能符合要求。“它们价格很便宜,”他说,“你可以买上几罐,刷在任何可以被阳光照射的表面。”斯塔福德认为他可以对材料的分子进行加工,干扰光子的流动,同时让电子通过。他估计,这种新材料可将20%至25%的光子转化为电力,效率为今天的温差发电材料的6倍。如果他获得成功,结果将是惊人的。光伏太阳能电池可能从此被淘汰。

很多研究者都看到了太阳能涂料的前景。加拿大纳米技术研究者特德·萨金特多年前就开始研究太阳能涂料。他的涂料中的关键材料也量子点。这种涂料的最大优势是低廉的价格。覆盖1平方米的薄膜只需要15至20美元。制作涂料的时候,先将工业橄榄油加热,然后添加主要原料———锡、铋、铅、硫和硒等———然后等待量子点形成。最终的成品像一种油性黑墨,但里面遍布直径几纳米的量子点,每一颗都是一个小晶体。萨金特的小组在2005年通过实验证明量子点不但可以捕捉可见光的能量,还能捕捉红外光的能量,而抵达地球的太阳能中一半是红外光所携带的。萨金特的太阳能技术还尚未成熟,但已经吸引到财大气粗的投资者。沙特阿卜杜拉国王科技大学是阿拉伯世界中几所砸下大笔资金吸引世界顶尖人才的学校之一。萨金特从2008年就开始与KAUST合作。KAUST为他的研究项目投入了1000万美元。并获得了这一技术在中东、西亚、俄罗斯、印度等38个国家的使用权。

美国圣母大学的研究者在太阳能涂料研究方面也取得突破。他们创造了一种能够产生电能的半导体纳米粒子。“我们想要创新,摆脱现在的硅基础太阳能技术。”圣母大学纳米科技中心的化学和生物化学教授普拉香特·卡玛特说,“通过结合纳米微粒和一种涂抹材料,我们创造了一种可以涂抹于任何导电表面的太阳能涂料。”

研究小组经过反复试验,最后选择了二氧化钛纳米微粒,外面包裹上硫化镉或硒化镉,最后加入水和酒精,形成一种膏状物。涂抹在透明导电材料上,暴露在阳光下,就能产生电能。“目前最佳的光-电转化效率只有1%,远远低于硅太阳能电池的10%至15%。”卡玛特解释说,“但是这种涂料成本低廉,可批量生产。如果能够提高光-电转化效率,我们也许能够改变未来的能源获取途径。”

事实上,这一天可能近在眼前。2011年5月,陈钢发表论文,说明无需电池板的太阳能发电系统即将成为现实:这是因为温差发电材料提供了一种聚集太阳能的新方式。直到现在,小型屋顶太阳能电池板依然无法实现这一点。因为聚集阳光需要复杂的透镜系统追踪太阳轨迹,过于昂贵,只有商业规模的太阳能发电站采用。

然而,聚集阳光其实非常简单,将一块铜片放到阳光下就可以办到。将铜片放进便宜的玻璃真空罩中,可以将热量困在罩内,只需要再将一小块温差发电材料附着在铜片背面就能将热能转化成电力。即使采用普通温差发电材料,光-电转化效率也可达到史无前例的5%。如果材料成本够低廉,即使这样的效率也值得生产。如果温差发电材料的效率再有所提高,光伏太阳能电池可能很快就会被取而代之。

无论未来属于陈钢的太阳能聚光器还是斯塔福德的太阳能涂料,温差发电已现出巨大的潜力,相比光伏电池,它更加方便、实用、成本低廉。玛丽亚·特尔克斯50年前的梦想已经接近现实。[上一页][1][2]

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