染料敏化太阳能电池技术的介绍

人们普遍认为，太阳能电池可以大致分为三个技术“代”之一。第一代电池是结晶的。第二代电池是硅和其他材料的非晶薄膜，旨在降低通常与传统半导体晶片生产相关的成本。但是，第三代技术的定义不太清楚，“第三代”的名称通常仅限于所谓的新兴技术。该组有时被描述为包括能够克服单个结器件的Shockley-Queisser功率转换效率极限（33.7％）的任何技术。大多数技术人员还将包括广泛的其他转换设备，包括非半导体，如聚合物和染料敏化电池，由传统材料堆叠（如非晶硅或砷化镓）和纳米技术构建的串联电池。

现在让我们来看看仔细研究一下“第三代太阳能电池”成员的候选人。

染料敏化太阳能电池（DSC或DSSC）源自光合作用研究（图1）。在20世纪60年代后期，在研究从植物中提取的叶绿素时，伯克利的研究人员意识到有机染料可以在电化学电池的氧化物电极上产生电能。增加电荷收集的表面积被认为是提高电池效率的途径。最终，瑞士洛桑联邦理工学院的一个团队发现二氧化钛（Ti2O）是理想的阳极材料。这种基本的电池设计现在是大多数DSSC研究的基础，并且在其发明者之后被称为Grätzell电池。

图1：染料敏化太阳能电池示意图（由SPIE提供）。

DSSC可以通过改性有机染料来适应服务中预期的光照条件。这些常见的化学物质已被很好地理解，其发展可追溯到纺织工业的早期阶段。 DSSC的第二个主要成分是TiO2。这种材料也很丰富，因为它是许多应用的首选白色颜料，从油漆到纸张，甚至是牙膏。极端白色是由于高折射率导致使用TiO2作为光学涂层材料以及许多防晒乳液中的封闭剂。

由于TiO2作为一种广泛可用，易于生产，价格低廉且特性良好的材料，染料敏化太阳能电池作为第三代电池研究的目标已经变得非常流行。

TiO2天然形成非常多孔的层，导致阳极表面积高，从而提高电池效率。但是对这种材料的更有针对性的研究已经导致更高的表面积层。纳米技术研究人员已经开发出TiO2加工技术，以创造出许多不同的纳米结构材料。 TiO2在纳米管和纳米线形式中相对容易生产，非常适合于最大化DSSC器件的效率。

许多新兴电池类型与传统硅光电池相比具有明显的优势，特别是在建筑集成光伏（BIPV）应用和基板灵活性非常重要的应用中。但是，仍有一些问题需要解决。例如，与竞争对手相比，DSC电池往往具有较短的寿命和其他可靠性问题。虽然DSSC在第三代技术方面处于领先地位，其顶级电池效率超过11％，但将其推向商业化的有用范围，自20世纪90年代末以来进展相对平稳。幸运的是，最近出现了其他纳米结构器件，并且其短寿命显示出非常快速的改善（图2）。

图2：技术和年份太阳能电池效率的趋势（由NREL提供）。

纳米结构的效用不仅限于它们为染料敏化太阳能电池提供的有效面积改进。粒子的大小实际上可用于设计材料的属性。由于电荷载体是物理限制的，因此可以严格控制它们的相互作用以影响材料的整体性质。量子点是这些纳米结构的一类，其允许材料的极小岛的尺寸被用作器件性质的设计参数。多年来一直参与量子点研究的学术团体位于多伦多大学。由Ted Sargent教授领导的团队一直在为许多应用开发量子点技术。 Sargent集团最近通过设定量子点太阳能电池的效率记录，在光伏器件方面取得了突破。

Sargent Group的研究重点是胶体量子点（CQD）光伏技术。在他们的CQD技术中，硫化铅（PbS）纳米颗粒悬浮在载液中。将胶体悬浮液施加到基材上是通过旋涂或喷涂。因此，CQD光伏通常被称为“太阳能涂料”。

即使是薄膜光伏技术的后沿，Sargent团队还有很长的路要走。但是他们的设备非常接近。自从达到5.1％的效率记录以来，持续改进可能是为了使“太阳能涂料”可以服务的市场具有竞争力所必需的。例如，可以涂覆多个层，每个粒度适合于给定波长，以获得更多的阳光中包含的能谱。即使对于太阳能涂料，似乎许多薄涂层比一层厚涂层更好。量子点光伏的商业化可能不依赖于未来的革命性发现，但如果确实出现这种情况，那么太阳能涂料可能会开始取代主导当前市场的晶体器件。

硅光伏生命在其中留下了生命

尽管新兴的太阳能收集技术有很大的前景，但许多传统技术在未来几年仍将继续保持市场可行性。考虑非晶硅可能的面板形状因数范围。用于AM-1456CA的Sanyo薄膜器件为10 mm×25 mm，AM-5902CAR为30 mm×37.5 mm，而实用规模的面板则由仪表测量并由同一批量生产设备驱动。大型平板电视的普及。

晶体硅器件也是多种多样的。 IXYS的Ixolar系列（图3）提供22％的电池效率，具有多种模块配置，例如较大的SLMD481H12 78 mm×90 mm，具有全功率峰值输出功率。

图3：Ixolar SLMD481H12太阳能电池（由IXYS提供）。

不要等待

1954年，贝尔实验室开创了第一个太阳能电池，使用价值12，000美元的这些设备来运行普通的家用烤面包机。现在，经过几十年的研究和进步，只能被描述为“不到摩尔定律的步伐”，我们似乎终于处于实现第三代光伏技术的边缘，以捕捉太阳的无限能量。因此，涉及能量收集的设计工程师或采购经理必须考虑的问题是：我是否应该推迟等待下一代太阳能电池的购买决策？总之，答案是否定的。尽管在本十年结束之前很有可能取得重大突破，但在第三代太阳能电池离开实验室并进入一天工作世界之前还有很多工作要做。在此期间，您可以找到适合您能量收集设计需求的精选当前产品。