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塑料:太阳能电池材料未来宠儿?

背包上喷涂一种材料,人们一边走路一边就能给手机、MP3等充电;公交车站防雨棚上覆盖这种材料,乘客就可以一边等车一边给手机充电。这不是科幻电影,而是发生在美国洛杉矶的真实场景。这种神奇的材料就是塑料太阳能电池材料——继晶体硅、无机薄膜之后的第三代太阳能电池材料。而现在,这种被称为太阳能发电行业未来宠儿的材料也已在国内实现了产业化。

上周,南京化工园紫金科创特区传出消息,位于该特区的南京欧纳壹有机光电公司已经成功试生产出有机薄膜太阳能电池材料。欧纳壹公司董事长肖淑勇博士表示,相对于晶体硅和无机薄膜而言,纳米级的第三代塑料太阳能电池材料具有柔韧性好、成本低、商业利用价值高等多种优势,将成为太阳能发电行业的“新宠”。

据肖博士介绍,全世界共有136个国家处于普及应用太阳能电池的热潮中,其中有95个国家正在大规模进行太阳能电池的研制开发,积极生产各种相关的节能新产品。目前,全球太阳能电池材料共有三代,第一代是晶体硅太阳能电池材料,包括单晶硅和多晶硅。目前市场上常见的是多晶硅太阳能电池材料,尽管光电转化率较高,但是此类材料生产过程污染高,原材料无法降解,同时工艺复杂,成本高、能耗大。第二代是无机薄膜太阳能电池材料,相对于第一代晶体硅材料而言,其工艺已经简化,但仍然依托高真空工艺技术,设备投资很大,而且材料中要用到储量较少的稀土,其中一种稀土铟非常稀缺,不太容易开发。第三代是塑料太阳能电池材料,又称有机薄膜太阳能电池材料。其生产工艺简单,能耗小,成本低。这种材料是有机化合物,可以降解,是绿色环保产品。据测算,目前塑料太阳能电池材料的发电效率在10%%左右,甚至能达到12%%,每瓦发电成本约是多晶硅电池的1/10,有着较高的商业利用价值。

肖淑勇博士介绍,由于有机太阳能材料是纳米级材料,质量轻,使用量非常小,最大的优点是柔韧性好,不仅制成的器件能弯曲能折叠,而且可以做成溶液形成膜,印刷或喷涂在物体表面,进行发电。

肖淑勇强调,第三代塑料太阳能电池材料虽然优势突出,市场前景广阔,但全球尚未实现大规模工业化生产。其应用也尚未大规模推广,现在的客户大多是科研院所、大型企业的研发中心等。目前,全球只有少数几家研究所能够研发和生产这种产品。加拿大的OneMaterial公司专门从事塑料太阳能电池材料的研发和生产,公司已经掌握了10多项全球发明专利,诸多发明专利已转化为产品进入市场,同时与三星、GE、夏普等国际企业保持合作关系。肖淑勇在南京化工园成立的南京欧纳壹公司,也已建立了研发实验室,并从去年9月份开始试生产塑料太阳能电池。据了解,欧纳壹公司的生产工艺技术全球领先,试生产出的产品质量优异,价格是黄金的10倍,产品已经供给中科院等国内科研院所使用。

目前,南京欧纳壹公司加大了国内市场的开发,未来公司计划和国内大型厂商、研究院校等合作,从类似美国的“小项目”入手,将塑料太阳能电池材料推广到市场上,再进行规模化生产。肖淑勇表示,公司将致力于改变太阳能企业依托于政府政策的局面,希望能将太阳能技术真正转变为科技商品,而非政策依托附品,从而作为高效的绿色再生能源独立进入能源市场竞争。

据了解,南京公司试生产的产品已经供不应求,公司即将在南京化工园设立厂房,扩大生产。

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热门研究方向

有专家表示,塑料太阳能电池效率只要超过10%%,就具有商业化应用价值。目前其研究主要集中于多功能新材料的开发和器件制造技术的提高。塑料太阳电池的开路电压通常为几百毫伏,最高可超过1000毫伏。因而器件内阻过大,缺陷较多,其短路电流一般很低,为毫安级。因此,提高光子的收集效率、激子的界面分离、降低太阳电池的内阻以增加短路电流成为塑料太阳能电池领域的研究重点。

围绕提高有机太阳能电池效率的研究,在过去几年中出现了大量的成果。材料的选择经历了有机染料、有机染料/无机材料、有机染料/有机材料、有机染料/聚合物材料、聚合物材料、聚合物材料/无机材料、聚合物材料/聚合物材料等阶段;器件的结构经历了单层器件、双层器件和多层器件等阶段。

国外部分成果

加州大学洛杉矶分校和住友化学公司开发的塑料太阳能电池包含两层,分别作用于不同波段的光线,一层聚合物作用于可见光,另一层作用于红外光。电池转化率为10.6%%。

美国伊利诺伊大学研究人员使用染色的塑料薄片收集阳光,并将其集中到一个由砷化镓制成的太阳能电池里,可以使电池的输出能量增加1倍。目前,研究人员已经证明该方法适用于单一太阳能电池。但他们计划做出更大的,点缀着许多微小的太阳能电池阵列的塑料片。这样既可让太阳能电池板产生更多的电力,又可减少光伏材料的消耗,从而降低面板成本。

瑞士电子与微技术中心(CSEM)巴西公司以有机聚合体替代单晶硅制造太阳能电池的技术已进入商业开发阶段。他们的新技术可制造较大面积的塑料太阳能电池板,以满足普通家庭用电需求。如果在建筑顶棚等开阔空间安装这种太阳能电池板,发电规模将非常可观。

英国谢菲尔德大学和剑桥大学的研究人员过批量印制工艺,用两种不同的感光物质在塑料薄膜上“印”上了一层厚度只有60纳米的电路结构。整个制造过程都在较低的温度下进行,可采用“卷对卷印刷”技术大规模生产,且该工艺在总体上可显著降低能耗和材料浪费。研究人员称,这种聚合物太阳能电池的转化效率目前在7%%~8%%,下一步有望提高到10%%以上,可望在5~10年内大规模商用。

责任编辑:赵晨


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