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《南京大学AM：一种基于不对称光伏级联的柔性高压(> 100 V)发电设备》

  • 来源专题：能源情报网信息监测服务平台
  • 编译者： guokm
  • 发布时间：2022-12-26

  • 光和电之间的相互转换是光电子和光子应用的核心。光电转换的最大化是一个长期目标，可以通过制造具有特定结构的器件来实现。在这个框架中，在特定区域收集光辐射并将其转化为高电势以驱动对纯电场响应的功能电介质是极其重要的。

    南京大学Lei Zhang等设计了一种以双自对准为特征的纳米加工技术，并将其应用于构建斑马状不对称异质结阵列。

    作者制备了一种新颖的不对称的、周期性的和定向的由金条和铝条组成的纳米复合材料。这种双金属纳米结构可以以受控的方式在排列方向上组织p-n异质结。照明5×4 mm2的小矩形条阵列可以在柔性衬底上产生超过100 V的高电压。每单位长度产生的电势高达350V·cm-1。作者首次证明了这样高的电压可以由自供电的紧凑型片上系统产生。

    作者的发现促进了光和电之间的转换，达到了通过提供足够大的静电场来调节自供电智能仪器中的压电和电光材料的性能。

  • 原文来源：https://solar.in-en.com/html/solar-2415674.shtml
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  • 《南京大学在国际上首次实现大面积全钙钛矿叠层光伏组件的制备》
    • 来源专题：能源情报网信息监测服务平台
    • 编译者：guokm
    • 发布时间：2022-05-31
    • 太阳能电池可将太阳能直接转变为电能，是一种重要的获取清洁能源的途径。 光伏发电成本依赖于太阳能电池的光电转换效率，有研究显示，转换效率每提升1%，发电成本可降低7%，但目前晶硅太阳能电池光电转换效率出现瓶颈，因此，研发制备更低成本、更高效率的太阳能电池是实现光伏发电平价上网的关键，也将为实现“双碳”目标提供重要科技支撑。 近日，南京大学现代工程与应用科学学院谭海仁教授课题组和英国牛津大学学者，运用涂布印刷、真空沉积等技术，在国际上首次实现了大面积全钙钛矿叠层光伏组件的制备，开辟了大面积钙钛矿叠层电池的量产化、商业化的全新路径。 经国际权威第三方测试机构认证，该组件稳定的光电转换效率高达21.7%，是目前已知的钙钛矿光伏组件的世界最高效率。该成绩被最新一期的《太阳电池世界纪录表》收录，相关成果近日刊发于国际权威学术期刊《科学》。 研究团队研发的全钙钛矿叠层光伏组件。课题组供图 制备工艺和结构不稳定制约钙钛矿叠层太阳能电池产业化 发展清洁、低成本的太阳能光伏发电，是实现“碳达峰碳中和”的重要途径与技术保障。2022年一季度，我国光伏发电量841亿千瓦时，同比增长22.2%。 “但是，随着技术的发展，传统的晶硅单结太阳能电池也遭遇了两个发展瓶颈，一是现有的工业生产能力已经逼近晶硅单结太阳能电池光电转化效率的极限，二是成本高、能耗大，将石英砂提炼为工业硅，制成单晶硅的过程，需要超过1000℃的高温，而钙钛矿太阳能电池的制备大约需要100℃。”作为此次研究的通讯作者，谭海仁坦言，生产成本更低、更节能的钙钛矿太阳能电池，被视为近年来光伏产业发展的新机遇，而钙钛矿叠层电池的结构优化和技术创新将加速光伏产业实现降本增效。 此前，谭海仁课题组提出了新型隧穿结构，突破了全钙钛矿叠层制备难题，发展了增强钙钛矿晶粒表面缺陷钝化的新方法，创造了全钙钛矿叠层电池光电转化效率26.4%的世界纪录，并在国际上首次超越了单结钙钛矿电池的最高认证效率，相关成果已发表于《自然》等国际权威学术期刊。 “虽然实验室小面积钙钛矿电池已取得很高的转换效率，但大面积钙钛矿光伏电池块的商业化进程依然面临诸多挑战。”谭海仁并不讳言，此前的研究虽然已经制备出1平方厘米左右的高效钙钛矿叠层电池，但量产化的制备方法和电池块中互连结构的长期稳定性是产业化的关键瓶颈。 增加铯含量，采用涂布印刷、真空沉积等技术让材料均匀成膜 要实现量产化制备，首先需要解决宽带隙钙钛矿薄膜大面积均匀制备的难题。 “宽带隙钙钛矿中含有较高的溴化物组分，其溶解度较低，溶剂选择空间较小，结晶调控不易，难以获得高质量均匀致密的薄膜，国际上对其量产化制备技术研究几乎是空白的。”谭海仁指出。 针对上述挑战，研究团队首次提出可量产化的全钙钛矿叠层电池制备方案，他们采用涂布印刷、真空沉积等制备技术替换实验室常用的旋涂成膜工艺，制备了20平方厘米的全钙钛矿叠层电池。 “此前我们使用的是旋涂工艺，即先把钙钛矿溶液涂抹在玻璃基底上，再用机器快速带动整块玻璃基底旋转，利用离心力让溶液分布在基底上形成薄膜，但这种方法会导致薄膜不均匀。此外，旋涂工艺的机器转速很快，所以很难带动大面积的玻璃基底旋转，这决定了它不适合量产钙钛矿太阳能电池。”谭海仁说。 为了让钙钛矿溶液能大面积均匀成膜，研究团队首先使用了刮刀涂布工艺。谭海仁解释，他们将溶液滴在透明的导电玻璃上，然后用刀片向前刮过去，这就在玻璃表面形成一层均匀的湿薄膜，用这种方法，他们完成了空穴传输层、钙钛矿层的刷涂，再用真空沉积的方法制备电子传输层和隧穿结构来保护第一层钙钛矿，然后再涂空穴传输层和第二层钙钛矿，真空蒸镀电子传输层和金属电极后，一个钙钛矿太阳能电池块框架就像搭积木一样“出炉”了。 仅搭好“房子”还不够，它还得“身材”匀称、结实。谭海仁说，最初制备钙钛矿叠层电池块时，因为溶液结晶时间久，薄膜还是不均匀，“后来想到，如果能像打印纸张一样，打印出来的瞬间墨水就干了，也许就能提高薄膜质量和生产效率。” 针对宽带隙钙钛矿在涂布过程中结晶调控难题，团队几经尝试后，将钙钛矿组分中A位阳离子的铯含量提高到35%，再结合气吹辅助结晶的刮涂方法加速溶液挥发，终于得到了一个结晶性最好且平整致密的宽带隙钙钛矿薄膜，这为量产化制备全钙钛矿叠层组件打下基础。 铯为何会成为“天选之子”让电池快速稳定成型？谭海仁介绍，“铯是无机离子，不易挥发，会提高器件的热稳定性，还能减小晶格应变，提升器件的光稳定性，也能降低结晶势垒，加快器件成核速率。” 制备特殊的电子传输层，既导电又避免不同材料互相“伤害” “从理论上说，当前单层钙钛矿太阳能电池的光电转化效率最高仅为约33%，而双层结构最高可达45%，发电效率越高，成本就越低。”长期的深入研究，让谭海仁发现，想实现钙钛矿电池内部结构“从一到二”的跨越，还要考虑器件材料间如何“和谐共处”。 “在串联型钙钛矿光伏组件中，每两个子电池的连接区存在复杂的互连结构。互连区内由于钙钛矿吸光层与背面金属电极间直接接触，钙钛矿中卤素离子会与电极中的金属相互扩散，导致金属材料被腐蚀、钙钛矿材料的电学性能下降，影响电池块的光电转换效率。”谭海仁说，为了克服这个难题，团队在钙钛矿吸光层与背面金属电极间，采用原子层沉积的方法，制备了一层二氧化锡电子传输层。 “二氧化锡是半导体材料，可以低温度环境生长，导电性比较好。不会影响互连区域中金属电极与前表面透明导电氧化物电极间的欧姆接触。同时，二氧化锡电子传输层可以保形沉积于子电池间的互联区域，阻隔了钙钛矿与金属间的直接接触。作为电池活性区域中的电子传输层，它还阻止空气对窄带隙钙钛矿的氧化，实现大气条件下组件的互联制备、测试和封装等操作过程。”谭海仁解释。 基于此创新性的组件结构设计，显著提升了组件的制备重复性、光伏性能以及稳定性。经日本电器安全和环境技术实验室测定，该全钙钛矿叠层太阳能电池块的光电转化效率21.7%，是目前报道钙钛矿光伏组件的世界最高效率，这一成绩被最新一期的《太阳电池世界纪录表》收录。 大面积钙钛矿叠层光伏组件展现的潜力激发了团队更大的斗志，谭海仁表示，如果要推动该技术的产业化，还要在印刷、制备钙钛矿的工艺上，做更多研发，制备20平方厘米墨水相对简单，但如果扩展到一平方米大小，还需要创新哪些技术条件，需要持续验证。
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  • 《光伏柔性支架：占地少布板多 发电效率节节高》
    • 来源专题：能源情报网信息监测服务平台
    • 编译者：guokm
    • 发布时间：2022-10-25
    • 能抗风致振动、可有效避免支架组件隐裂、还能“爬坡下水”“一地多用”，一款兼具上述优点的光伏柔性支架，已在广西实际应用并取得很好的效果。10月24日，记者从长江设计集团获悉，这款光伏柔性支架由该集团新能源公司团队自主创新研发，将为光伏行业发展注入新动能。 在“双碳”背景下，光伏电站应用场景呈现多样化。光伏支架是光伏发电系统中为支撑、固定、转动光伏组件而设计安装的特殊设备，是光伏发电系统中不可或缺的组成部分。 业内专家介绍，近年来光伏发展始终未能摆脱用地紧张等制约性难题。 在此形势下，提高土地的综合利用效率成为光伏开发的重要方向，具有“高净空、大跨距”特点的光伏柔性支架逐渐成为当前光伏市场的“新宠”。相比于传统模式的固定支架，柔性支架的布板容量可提升近三倍。 光伏柔性支架是一种两端固定，由预应力柔性索结构形成的大跨度光伏组件支撑结构，索结构跨距通常在20米到40米之间，最高可达百米。同时，组件可高出地面2米至30米，具有组件下方高净空、桩基数量少的布置优势。 “从缓坡走向陡坡，众多固定支架上不去的大坡度山地成了柔性支架的‘可用之地’，可布置在渔场、农场、沟渠、停车场甚至高速公路等之上，提高单位土地经济价值。”长江设计集团新能源公司研发团队表示，随着光伏柔性支架规模化应用和技术进步，其价格优势也将赶超固定支架，发展空间巨大。 研发团队调研分析后，针对市场上现有方案存在的易产生风致振动和组件隐裂的痛点难点，提出“组件檩条刚性整体，索结构柔性支撑”创新理念，创新性地将刚性檩条应用在柔性支架上，达到保护组件和提升索结构刚度的双重作用。 据介绍，该公司依托河湖光热资源综合利用湖北省工程研究中心重点攻关光伏柔性支架关键技术，实现从无到有、从0到1的蜕变，先后提出“长檩条单承重索纵横固接式柔性光伏系统”“折角桁架型檩条多排光伏组件索支撑结构”和“地锚稳定多排光伏组件檩条柔索支撑结构”三套分别适用于陆地、水面和山地的方案；为确保方案安全性与可靠性，与同济大学和重庆大学等多家高校分别合作开展风洞实验，系统评估整体结构气弹效应。此外，在无锡开展了1:1模型试验，探究和改善产品施工工法。 目前，围绕新型光伏柔性支架的研发，该公司已申请专利10余项，授权3项，相关专利产品即将在湖南华容县等地大规模应用，预计今年应用规模将突破100MW。
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