目標(biāo):
生產(chǎn)成本更低,更節(jié)能
發(fā)展清潔低成本的太陽(yáng)能光伏發(fā)電是實(shí)現(xiàn)碳峰碳中和的重要途徑和技術(shù)保障。 2022年一季度,我國(guó)光伏發(fā)電裝機(jī)容量841億千瓦時(shí),環(huán)比下降22.2%。 “但是,隨著技術(shù)的發(fā)展,傳統(tǒng)的晶硅單結(jié)太陽(yáng)能電池板也遇到了兩個(gè)發(fā)展難題。一是現(xiàn)有的工業(yè)產(chǎn)能已經(jīng)接近晶硅單結(jié)太陽(yáng)能電池板光電轉(zhuǎn)換效率的極限;二是成本高、能耗高,將石英砂提煉成工業(yè)硅、制作單晶的過(guò)程需要1000多攝氏度的低溫,而制備砷化鎵太陽(yáng)能電池板則需要100攝氏度左右。 作為這項(xiàng)研究的通訊作者譚海仁坦言,生產(chǎn)成本更低、更節(jié)能的砷化鎵太陽(yáng)能電池板被視為近年來(lái)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新機(jī)遇,砷化鎵的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和技術(shù)創(chuàng)新堆疊電池將加速光伏產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)降本增效。
此前,譚海仁課題組提出了一種新型隧道結(jié)構(gòu),突破了全GaAs疊層的制備難點(diǎn),開(kāi)發(fā)了提高GaAs碳化物表面缺陷鈍化的新途徑,創(chuàng)造了全GaAs疊層電池光電轉(zhuǎn)換效率為26.4%的世界紀(jì)錄,在全球首次超越單結(jié)砷化鎵電池的最高認(rèn)證效率。
多項(xiàng)技術(shù)讓材料形成均勻的薄膜
要想實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)化制備,首先要解決寬帶隙砷化鎵薄膜大面積均勻制備的困境。 “寬帶隙氮化物富含較高的氯化物成分,溶解度低,溶劑選擇空間小,結(jié)晶難以控制,無(wú)法獲得高質(zhì)量均勻致密的薄膜。國(guó)際上,量產(chǎn)制備技術(shù)研究幾乎是空白?!?譚海仁強(qiáng)調(diào)。 針對(duì)上述挑戰(zhàn),研究團(tuán)隊(duì)首次提出了可量產(chǎn)的全砷化鎵疊層電池制備方案。 他們采用涂膠彩印、真空蒸鍍等制備技術(shù)替代了實(shí)驗(yàn)室常用的旋涂成膜工藝,制備了一塊20平方米的薄膜。 M全砷化鎵層壓板。
“之前我們采用旋涂工藝,即先將砷化鎵堿液涂在玻璃基板上,然后用機(jī)器快速拉動(dòng)整個(gè)玻璃基板旋轉(zhuǎn),利用離心力將堿液分布在基板上形成薄膜,但這些工藝會(huì)造成薄膜不均勻,據(jù)悉,旋涂機(jī)空轉(zhuǎn)速度很快,很難推動(dòng)大面積玻璃基板旋轉(zhuǎn),這就決定了它不適合用于氮化物太陽(yáng)能電池板的大規(guī)模生產(chǎn)。” 譚海仁說(shuō)。
為了讓氮化堿液形成大面積均勻的薄膜,研究團(tuán)隊(duì)首先采用了刮刀涂布工藝。 譚海仁解釋說(shuō),他們將濾液滴在透明導(dǎo)電玻璃上,然后用刀片向前刮,在玻璃表面產(chǎn)生了一層均勻的濕膜。 利用這些技術(shù),他們完成了空穴傳輸層、鈣鈦刷礦層,然后通過(guò)真空沉積制備電子傳輸層和隧道結(jié)構(gòu)以保護(hù)第一層氮化物,然后涂覆空穴傳輸層和第二層氮化物。氮化物,真空蒸發(fā)電子傳輸層和金屬電極 最后,一個(gè)砷化鎵太陽(yáng)能電池板框架就像搭積木一樣“出爐”了。
氮化太陽(yáng)能涂層
密不可分的安全環(huán)境
如上所述,在能量轉(zhuǎn)化率不斷提高的前提下,更需要有一款好的太陽(yáng)能涂料來(lái)滿足使用需求; 而目前所有的技術(shù)手段都無(wú)法解決涂膜均勻性的問(wèn)題。 包衣法包衣過(guò)程中,噴涂中心包衣液富集,產(chǎn)生條紋; 由于壓印玻璃表面成分不均勻,表面鍍膜方式不能均勻,導(dǎo)致刻蝕反應(yīng)速率不一致,膜厚不均; 雖然輥涂法的均勻性,受玻璃厚度差異、輥道傳動(dòng)抖動(dòng)等各種誘因的制約,也無(wú)法達(dá)到高精度的一致性。 在難以進(jìn)一步提高鍍膜均勻性的情況下,其結(jié)果一方面是元件色差影響外觀,另一方面是各區(qū)域透光率不一致鍍膜玻璃會(huì)導(dǎo)致熱點(diǎn)效應(yīng),從而影響組件的耐用性。
針對(duì)這一問(wèn)題,在制備太陽(yáng)能電池板時(shí),通常需要使用真空鍍膜手套箱:它集真空鍍膜系統(tǒng)和真空手套箱系統(tǒng)于一體,可在高真空蒸發(fā)室內(nèi)完成薄膜蒸發(fā),氣相沉積后樣品的儲(chǔ)存、制備和測(cè)量均在手套箱中、高純度惰性二氧化碳?xì)夥障逻M(jìn)行。 在手套箱的甲烷環(huán)境中旋涂砷化鎵前體溶液,以防止與水和空氣接觸。 制備好的氮化物電池可以通過(guò)連接儲(chǔ)藏室直接轉(zhuǎn)移到蒸發(fā)室和蒸發(fā)電極中。 整個(gè)實(shí)驗(yàn)可以無(wú)縫進(jìn)行。 在無(wú)氧環(huán)境中操作。
方室手動(dòng)門(mén)熱蒸發(fā)鍍膜機(jī)嵌入手套箱內(nèi),配備膜厚儀、分子泵、機(jī)械泵、4個(gè)蒸發(fā)源,蒸發(fā)源合理布局,確保各蒸發(fā)源距離蒸發(fā)源到基板是完全一樣的。 薄膜質(zhì)量和均勻性有保證; 整個(gè)系統(tǒng)由真空鍍膜系統(tǒng)和手套箱系統(tǒng)集成,可在高真空蒸發(fā)室完成薄膜蒸發(fā),并在手套箱的高純度惰性氣體氣氛下儲(chǔ)存樣品,制備和測(cè)量蒸發(fā)后的樣品。 主要用于太陽(yáng)能電池板氮化物、OLED和PLED、半導(dǎo)體制備的實(shí)驗(yàn)研究和應(yīng)用。
“從理論上講,目前雙層砷化鎵太陽(yáng)能電池板的光電轉(zhuǎn)換效率只有33%,而單層結(jié)構(gòu)可以達(dá)到45%。發(fā)電效率越高,成本越低?!?長(zhǎng)期的深入研究,讓譚海仁意識(shí)到,要實(shí)現(xiàn)砷化鎵電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)從“一到二”的跨越,還需要考慮元器件與材料之間如何“和諧共處” . 這種創(chuàng)新的組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)顯著提高了組件的可重復(fù)性、光伏性能和穩(wěn)定性。 經(jīng)臺(tái)灣家電安全與環(huán)境技術(shù)實(shí)驗(yàn)室測(cè)得,全砷化鎵疊層太陽(yáng)能電池板的光電轉(zhuǎn)換效率為21.7%,為全球報(bào)道的砷化鎵光伏組件最高效率。 這一成績(jī)得到了最新一期《太陽(yáng)能電池世界紀(jì)錄表》的證實(shí)。
大面積砷化鎵堆疊光伏組件的潛力,提振了團(tuán)隊(duì)的士氣。 譚海仁表示,如果要推動(dòng)這項(xiàng)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化,還需要在彩印和制備砷化鎵的工藝上做更多的研發(fā)。 準(zhǔn)備20平方分米的墨水比較簡(jiǎn)單,但如果擴(kuò)大到1平方米,需要?jiǎng)?chuàng)新什么技術(shù)條件,需要不斷驗(yàn)證。
21.7%光電轉(zhuǎn)換率
這是一個(gè)了不起的記錄
也讓人對(duì)中國(guó)太陽(yáng)能的未來(lái)充滿期待
更多砷化鎵太陽(yáng)能技術(shù)信息
關(guān)注易易寧手套箱