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目前，太阳能光伏发电市场，主流发电方式多以晶体硅为基础原料。2006年—2008年，全球多晶硅市场的疯狂行情导致光伏发电成本大幅上涨。当时，薄膜电池发电方式以其成本低备受青睐，许多电池生产商也纷纷转投薄膜电池生产，薄膜电池发展将替代晶体硅发展的“替代论”充斥行业内部。随着多晶硅价格回归理性，传统光伏电池价格趋于稳定。未来，多晶硅价格仍将处于下降通道，让已引进薄膜电池生产线的企业有些始料不及。随着多晶硅价格失守，薄膜电池成本低的优势正在消失。据记者了解，计划上薄膜电池的企业其薄膜扩张计划均处于停滞状态，如今仅有部分企业在继续薄膜电池的研发与生产。一时间，薄膜是外资设备商“陷阱”的说法在行业内盛行。到底应该如何看待薄膜电池发展？本报专访多位太阳能专家分析评说薄膜电池的发展。“薄膜电池是做为一种新技术引进的”——访北京交通大学理学院太阳能研究所所长徐征教授“薄膜‘替代论’是不客观的”近日，北京交通大学理学院太阳能研究所所长徐征教授接受了记者的专访，他认为，薄膜电池将替代晶体硅电池之说是不客观的。他表示：“市场上认为薄膜电池将凭借其生产成本低、材料易得等优势，替代传统多晶硅、单晶硅电池这种说法是不客观。”徐征说：“持此种观点的人，大多以其材料易得性来说明薄膜电池的成本优势，但从整体成本考虑，仅产品成本低还不足以说明这个行业的生产成本低。比如同样做一个大型电站，除了考虑生产设备、生产技术，还要把更大的土地成本算进去。目前，晶体硅电池的转换率是薄膜电池的两倍，建一个同规模电站的话，仅土地成本薄膜电池将是晶体硅的两倍。一个行业的成本是多种因素构成的，而非一、两个技术特点决定。同一个电站项目，特别是大型电站项目，多晶硅、单晶硅电池的高转换率决定了其比薄膜电池更具优势。”薄膜电池弱光性优势显现徐征教授介绍说，目前，薄膜电池分很多种类。其中有非晶硅与微晶叠层的薄膜电池，转化率可以达到9%；砷化镓，转化率一般在25%左右；碲化镉是市场比较活跃的投资项目，美国第一太阳能去年在世界的碲化镉产量和装机都是最高的。徐征说，不同薄膜电池各有优势，比如砷化镓，其主要应用在太空，转换率非常高，最高可以到达35%以上，并且具有抗辐射的特性。一般来说，热能对砷化镓的影响不大，而晶硅电池遇极热将大幅降低发电效率。徐征教授表示，薄膜电池的弱光性特性将使其适合做幕墙工程。所谓弱光性指的是电池设备对光子的吸收。对光子的吸收越多，转换率就越大。晶体硅转换率高低由太阳光强度以及其对太阳的角度决定，换言之，阳光强度越强；角度越准确，转换率越高。薄膜就像其他技术一样，也有自身的优势。比如其特有的弱光性就是其它电池材料不具备的。光线强与光线弱的时候，晶体硅转换率差别很大。但薄膜却在光线较暗的情况下，依然能够产生电流。玻璃幕墙一般是垂直的，这样的光照角度必然影响其对光子的吸收，从而影响晶体硅的转换率。而薄膜的弱光性，即有光就可以发电的优势，确定其作为建筑幕墙的最好选择。“薄膜设备本来就是非常贵的”据记者了解，以25兆瓦的非晶硅薄膜电池生产线为例，公开资料显示，其价格在3亿元—4亿元人民币之间，而25兆瓦晶体硅太阳能电池生产线的设备成本则仅有4000万元—5000万元。目前，国内引进一台薄膜电池生产机器花费超过1亿元。由此，国外设备投资商对中国实施的“陷阱论”成为热议。对此，徐征所长表示：“不能这么简单地、主观认为这是美国对中国太阳能企业的一个‘陷阱’。”徐征强调：“薄膜电池的引进首先是一种先进技术的引进。而生产薄膜的设备历来都是非常贵的，并不是单纯生产薄膜电池生产设备贵。”徐征解释，现在常生产的平板显示就可以得以说明。目前，在平板显示生产线上，平板显示也需要用到薄膜产品，其薄膜设备可以达到几十个亿。“生产一台薄膜设备造价本身就很高。如果说用在生产薄膜电池非常贵是不客观的。”徐教授说，“不是美国人卖给我们就贵，而是薄膜设备自身制造成本就比较高。 ”“薄膜电池价格优势渐失”“目前，薄膜电池成本低廉的优势渐失。”徐征分析，这主要缘于晶体硅原材料稳步进入价格下降通道，专家预测，未来多晶硅价格还将继续下跌，薄膜成本优势也随着多晶硅价格下降而减弱。这对部分薄膜电池生产商产生了极大的市场压力，从部分薄膜生产商集体选择缄默也表示其对薄膜电池发展充满忧虑。尽管薄膜电池发展受到冲击和考验，但薄膜电池的确也有其发展的空间。比如薄膜电池在幕墙及屋顶项目应用空间还是很大。徐征说：“政府目前允许薄膜电池与晶体硅电池参与太阳能电站的招标，也表明了政府的态度。意味着政府默认薄膜电池与晶体硅并存发展。未来，薄膜电池仍将得到较大的发展。”尚德电力新闻负责人张建敏在接受采访时也基本同意徐征的观点。“薄膜、晶体硅各有市场。” 张建敏说，“从市场分析，薄膜电池还是有其发展空间的。一些薄膜电池公司技术数据能够提高很快，成本优势尚存。从其用途上来看，薄膜更适用于玻璃幕墙的项目，在光伏建筑一体化项目上更具优势。”薄膜电池至少是一种新选择——访中投顾问能源行业首席研究员姜谦近几年来，随着各国的重视程度愈来愈高，全球太阳能光伏产业的发展可谓日新月异。但即便是这样，太阳能光伏发电5倍于传统火力发电的成本仍然让很多企业望而生畏，这也是到目前为止，太阳能光伏发电不仅难与火力发电，甚至难与同为可再生能源的风力发电相抗衡的主要原因。以目前市场上占主流的硅基太阳能电池为例，2006年电池占太阳能光伏系统总成本的比例超过65%，目前也在50-60%，这也就是说电池占了整个光伏系统成本的一半以上。而要降低整个光伏系统的成本，关键点也就在核心部件光伏电池上。中投顾问能源行业首席研究员姜谦在接受采访时表示，虽然随着全球主流厂家技术突破的进程不断加快，硅基太阳能电池成本下降的趋势很明显，但这显然跟不上整个产业的发展步伐。而薄膜电池这时候作为一种新的选择出现，短期内替代硅基电池的主流地位并不现实，但从长远来看，它对于全球光伏产业的巨大推动作用却毋庸置疑。姜谦说：“成本低是薄膜电池相比于硅基电池的最大优势所在。”以目前市场上最成熟的碲化镉(CdTe)薄膜太阳能电池为例，截至2009年，龙头企业First Solar生产成本已经从2008的93美分/瓦降至84美分/瓦，另外，该公司计划到2014年要将成本进一步降至美元，与此同时要将转换效率拉升至。目前在该领域，First Solar还处于独家垄断阶段，随着越来越多竞争者的加入，碲化镉(CdTe)薄膜太阳能电池的发展潜力会更加凸显。通用电气近期与PrimeStar太阳能公司的合作，就是致力于碲化镉薄膜太阳能光伏产品的开发。而除了碲化镉(CdTe)薄膜太阳能电池之外，近期硒化铜铟镓电池（CIGS）也成为市场关注的焦点。CIGS电池具有性能稳定、抗辐射能力强，光电转换效率目前是各种薄膜太阳电池之首，接近于目前市场主流产品晶体硅太阳电池转换效率，成本却是其1/3。2006年、2007年全球CIGS太阳能电池组件的产能分别仅为17MW、60MW左右，产量更是微乎其微。而2008年全球CIGS电池的产量在40MW左右，2009年则是更进一步，产能超过660MW，实际产量也达到180MW左右，增幅超过300%，显示了良好的发展势头。在政策层面，以我国为例，虽然目前国内市场并未真正开启，但在国家能源局主导的第二轮光伏并网电站招标工作中，招标方案将不再限定技术种类，薄膜电池技术也可以参与竞标，这也从一个侧面反映出国家对薄膜电池的支持。综上所述，目前所存在的种种质疑，不应该是对薄膜发展可行性的质疑，但发展时机、发展速度、发展方向等等应该是整个产业需要谨慎对待的。姜谦说：“从产业的长远布局来看，发展薄膜技术不仅是毋庸置疑的，甚至应该是非常紧迫的。”薄膜电池生产企业：薄膜电池发展应有其必要性在采访中，部分薄膜产品生产商表示，与晶体硅电池相比，薄膜电池的成本下降潜力要大得多，主要得益于薄膜太阳能电池的技术进步日新月异。薄膜太阳能电池预计未来的产能可能会达到整个太阳能行业的20%，发展空间较大。薄膜太阳能电池现在发展面临技术突破，有很多物理方法，比如说离子束方法沉积纳米晶硅薄膜工艺。从成本角度分析，未来的薄膜太阳能电池比晶体硅电池有明显优势，较之火电等常规能源具有明显的替代优势。某薄膜电池生产商表示，随着光伏产业在全球能源中占比例逐步提高，薄膜太阳能电池在大型光伏电站、BIPV等应用需求推动下将迅猛发展。但不同的薄膜太阳能电池还有各自的缺点，或转换效率偏低，或存在环境安全问题，有的存在原材料资源稀缺问题，这些问题也需要产业形成规模后逐步解决。“有理由相信，薄膜太阳能电池即将迎来高速成长。”上述企业人士解释，以硅基薄膜太阳能电池为例，其电池技术发展成熟度高，使用叠层工艺将使转换效率及衰减问题不再突出。其次，研发实力雄厚的半导体设备供应商纷纷切入硅基薄膜太阳能电池设备供应领域，薄膜太阳能电池设备供应商快速崛起，对行业迅猛发展起到了重要的推动作用。从技术路线发展看，目前，硅基薄膜太阳能电池已经发展到第四代——非晶硅/微晶硅双结叠层电池。这种非晶硅与微晶硅叠层的基本结构将成为未来硅薄膜太阳能电池的主流发展趋势。“薄膜电池发展有其必要性。”
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太阳电池又称光伏电池，是一种能有效地吸收太阳辐射能，并使之转变成电能的半导体器件。它可单独地作为光探测元件，例如在照像机中使用，主要是经过串联和并联，以获得所需的电压及电流来作为供电电源使用。太阳电池的外观就如一张薄的卡片或一片薄的玻璃片一样，与普通电池外观不同，它自身也不能储存电能，即没以有光时就不发电，如果晚上要用它，就要与蓄电池配合使用。 太阳电池的面积每100㎝2在强阳光下约产生1瓦的电，我们常说的1度电是1千瓦小时，也就是1千瓦这样的电池工作1小时才能产生1度电。 太阳电池发展概况 太阳能光伏发电，可视为迄今为止最美妙、最长寿和最可靠的发电技术。与太阳能发电相比，它另涉及半导体器件，既无运动部件，又无流动工质，因此，避免了机械维修和工质腐蚀的问题,是可再生能源和可持续发展的可靠能源。 硅太阳电池的发展，始于1954年在,美国贝尔研究所试制成功，次年便被用做电信装置的电源，1958年又被美国首次应用和于“先锋1号”人造卫星。宇宙开发极大地促进了太阳电池的开发。与此同时，地面用太阳电池的研究也在不断开展，特别是1973年的能源危机，又大大加速了地面太阳电池的发展。许多国家为开发、利用太阳能电池，为阳光发电的研究投入了相当数量的资金。迄今为止翱翔于太空的成千个飞行器中，大多数都配备了太阳能电池系统。第一颗人造卫星上天，是光伏技术开发利用的起点，经过近五十年的发展，它已形成一门新的光伏科学与光伏工程。无论是在宇宙飞行中的应用，还是作为地面发电系统的应用，从开发速度、技术成熟性和应用领域来看，光伏技术都是新能源中的佼佼者。 太阳电池作为有潜力的可再生能源，在地面上逐渐得到推广。太阳电池的成本及售价也在逐年下降，多年来太阳电池的产量一直以10-25%的增长率在增加。1990年世界太阳能电池组件的产量70MW（兆瓦），我国为，主要是用在太阳光照好的边远地区。到2001年全世界太阳电池的产量达到350MW，我国太阳能电池的实际产量已达到，累计安装量已超过20MW。我国是个发展中国家，地域辽阔，有许多边远省份和经济欠发达地区。据统计目前我国尚有700万户（2800万人口），还没有用上电，60%的有电县严重缺电。这些地区在短期内不可能靠常规电力解决用电问题，光伏发电则是解决分散农、牧民用电的理想途径，市场潜力非常巨大。 光伏发电具有许多优点：如：安全可靠、无噪声、无污染、能量随处可得，不受地域限制，无须消耗燃料，无机械转动部件，故障率低，维护简便，可以无人值守，建站周期短，规模大小随意，无须架输电线路，可以方便地与建筑物相结合等，这些优点都是其它发电方式所不及的。 目前国际上大量使用的电池为单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池和非晶硅太阳电池三种，这三种电池约各占1/3的市场，我国目前有7个太阳电池生产线，主要是生产单晶硅及非晶硅太阳电池，多晶硅太阳电池也有少量生产。我国生产单晶硅太阳电池的效率在12-13%，多晶硅太阳电池在10%，非晶硅太阳电池在5-6%。晶体硅太阳电池在研究上是朝着高效率化、薄片化、大面积化的方向发展。1995年我国晶体硅太阳电池组件的参考价格为45元/瓦，非晶硅太阳电池组件为25元/瓦，仍为常规能源的几倍，但在无电地区及拉线不方便的地方，已产生了良好的经济效益。
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硅基太阳能电池的发展及现状每年逐渐增长。单晶硅太阳能电池产量年增长速度为1-3倍，单晶硅太阳能电池行业产量占全球产量的比例也由2002年增长到2008年的近15%。商业化单晶硅太阳能电池的效率13%-14%提高到16%-17%。
太阳电池又称光伏电池，是一种能有效地吸收太阳辐射能，并使之转变成电能的半导体器件。它可单独地作为光探测元件，例如在照像机中使用，主要是经过串联和并联，以获得所需的电压及电流来作为供电电源使用。太阳电池的外观就如一张薄的卡片或一片薄的玻璃片一样，与普通电池外观不同，它自身也不能储存电能，即没以有光时就不发电，如果晚上要用它，就要与蓄电池配合使用。 太阳电池的面积每100㎝2在强阳光下约产生1瓦的电，我们常说的1度电是1千瓦小时，也就是1千瓦这样的电池工作1小时才能产生1度电。 太阳电池发展概况 太阳能光伏发电，可视为迄今为止最美妙、最长寿和最可靠的发电技术。与太阳能发电相比，它另涉及半导体器件，既无运动部件，又无流动工质，因此，避免了机械维修和工质腐蚀的问题,是可再生能源和可持续发展的可靠能源。 硅太阳电池的发展，始于1954年在,美国贝尔研究所试制成功，次年便被用做电信装置的电源，1958年又被美国首次应用和于“先锋1号”人造卫星。宇宙开发极大地促进了太阳电池的开发。与此同时，地面用太阳电池的研究也在不断开展，特别是1973年的能源危机，又大大加速了地面太阳电池的发展。许多国家为开发、利用太阳能电池，为阳光发电的研究投入了相当数量的资金。迄今为止翱翔于太空的成千个飞行器中，大多数都配备了太阳能电池系统。第一颗人造卫星上天，是光伏技术开发利用的起点，经过近五十年的发展，它已形成一门新的光伏科学与光伏工程。无论是在宇宙飞行中的应用，还是作为地面发电系统的应用，从开发速度、技术成熟性和应用领域来看，光伏技术都是新能源中的佼佼者。 太阳电池作为有潜力的可再生能源，在地面上逐渐得到推广。太阳电池的成本及售价也在逐年下降，多年来太阳电池的产量一直以10-25%的增长率在增加。1990年世界太阳能电池组件的产量70MW（兆瓦），我国为，主要是用在太阳光照好的边远地区。到2001年全世界太阳电池的产量达到350MW，我国太阳能电池的实际产量已达到，累计安装量已超过20MW。我国是个发展中国家，地域辽阔，有许多边远省份和经济欠发达地区。据统计目前我国尚有700万户（2800万人口），还没有用上电，60%的有电县严重缺电。这些地区在短期内不可能靠常规电力解决用电问题，光伏发电则是解决分散农、牧民用电的理想途径，市场潜力非常巨大。 光伏发电具有许多优点：如：安全可靠、无噪声、无污染、能量随处可得，不受地域限制，无须消耗燃料，无机械转动部件，故障率低，维护简便，可以无人值守，建站周期短，规模大小随意，无须架输电线路，可以方便地与建筑物相结合等，这些优点都是其它发电方式所不及的。 目前国际上大量使用的电池为单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池和非晶硅太阳电池三种，这三种电池约各占1/3的市场，我国目前有7个太阳电池生产线，主要是生产单晶硅及非晶硅太阳电池，多晶硅太阳电池也有少量生产。我国生产单晶硅太阳电池的效率在12-13%，多晶硅太阳电池在10%，非晶硅太阳电池在5-6%。晶体硅太阳电池在研究上是朝着高效率化、薄片化、大面积化的方向发展。1995年我国晶体硅太阳电池组件的参考价格为45元/瓦，非晶硅太阳电池组件为25元/瓦，仍为常规能源的几倍，但在无电地区及拉线不方便的地方，已产生了良好的经济效益。
太阳能热发电是指将太阳光聚集并将其转化为工作流体的高，温热能，然后通过常规的热机或其它发电技术将其转换成电能的技术。下面是我整理的太阳能热发电技术论文，希望你能从中得到感悟!
浅谈太阳能热发电技术的应用
摘要：太阳能光伏发电已成为人们摆脱对化石燃料依赖的巨大功臣之一，尤其是化石燃料在提供能量的同时对居住环境带来的温室效应等各种负面影响及化石燃料的逐渐枯竭，世界各国都在研究和探索清洁、环保的可再生能源，如太阳能、风能、水能等。太阳能作为新型清洁能源之一，拥有巨大潜力。尽管太阳能具有很多优点，但太阳能的分散性、不易储存、受环境影响等多方面的不利因素影响着太阳能的开发及利用。经过国内外专家的潜心研究，太阳能技术的开发不断深入，太阳能热发电技术已进入了商业运用阶段。
关键词：太阳能电池;热发电;太阳能发电技术
能源已成为影响经济社会发展的一大主要因素，尤其是煤炭、石油等化石燃料的逐渐枯竭，当今世界已出现了能源争夺之战。局部地区的动乱很多都是由不可再生能源的争夺引发的。面对人们能源需求量的增加而不可再生能源的减少，人们开始转而寻求对可再生能源的开发，如风能、水能、太阳能等。尽管目前太阳能占能源总量的比重不大，但未来的发展潜力不可限量，有专家推测，到2100年来自太阳的能源超过世界能源需求总量的一半以上。
一、太阳能热发电技术概述
太阳能作为一种清洁能源之所以被人们开发利用的时间不长是因为太阳热能的低密度、间歇性、空间分布不断变化等特点，使太阳能的收集和利用比较困难。因此，要想研发太阳能光伏发电技术，必须要找到有效地收集和利用太阳能的方法，也是太阳能热发电技术的关键。因此太阳能光伏发电技术有四个关键技术，即聚光器技术、吸收器技术、跟踪技术和热能存储技术。聚光器技术、吸收器技术主要是研究如何更高效地获取太阳光源，难点在于解决太阳光热能的低密度、分布不断变化等特点;热能存储技术攻克的难点在于如何将收集到的太阳光源存储起来，并减少热量的损失，以备在阴天、下雨、夜间等无太阳光源时提供能量。
尽管太阳能是一种天然的、清洁的、可再生的能源，但由于太阳能所具有的低密度、间歇性、空间分布不断变化等特点，造成其开发利用投入的成本较高，阻碍了人们对太阳热能的开发。但是太阳热能技术一旦前期投入完成(固定投入)，后期将带来可观的经济效益，再加上化石燃料对地区环境带来的负面影响及其本身的不可再生性，促使各国政府转向大力支持太阳热能的开发。太阳能热发电这基础的四方面技术解决的核心在于新型材料的研发。当前太阳能发电技术主要是太阳能光伏(PV)电池技术和聚光太阳能(CSP)技术。我国幅员辽阔，横跨多个纬度，再加上地形地貌的多样，太阳能开发前景广阔，根据2009年的世界太阳能发电关联产品的统计数据显示，我国大陆在结晶硅太阳能电池及结晶硅太阳能电池组件上的产业规模已位居世界第一，占世界总量的一半左右，是重要的太阳能光伏电池生产国。
二、太阳能热发电常见的模式及比较分析
在能源危机的驱动下，各国专家的持续研究下，人们对太阳能的开发已进入了一个新的时期，目前已开发出多种形式的太阳能热发电模式，其中有部分技术较为成熟，已投入商业运行中。太阳能热发电的关键技术之一就是集热器，太阳能热发电模式也可按集热器类型的不同，分为平板型光伏发电系统和聚光型光伏发电系统。
(一)平板型光伏发电系统
平板型光伏发电系统包括太阳能电池板、直流保护与汇集系统、交流保护与开关系统、逆变器、发电量计量、基础结构等几部分。此系统的工作原理是电池板阵列经汇线箱(盒)汇集后直接向直流负荷供电，再经逆变器将汇集后的直流电源转变成符合交流电压、频率的单相或三相交流电，最后汇入用户的电源系统。平板型光伏发电系统主要在大规模并网型电厂使用，在应用中需要考虑直流线路、交流线路、升压站等部分，在发电过程中，为了提高太阳光的利用率，通常采用单轴或双轴追踪系统，加长阳光直射的时间，提高发电量。因追踪系统的原理是根据太阳方位角的旋转产生阴影效应来驱动电池板，所以该系统占地面积较大。总体来看平板式光伏发电系统结构简单、技术含量低、安装施工方便，所需的硅晶体材料的降价，成本呈下降趋势。据估算平板式光伏发电系统每千瓦发电量的综合投资成本约为～4万元。但该系统存在发电效率低、不便运输、不便于维护等缺点。
(二)聚光型光伏发电系统
聚光型光伏发电技术，是最近几年发展起来的大规模光伏发电技术，多用于兆瓦以上规模的并网型太阳能光伏发电厂。聚光型光伏发电技术与平板型光伏发电技术相比，具有更经济、建设周期短、维护方便、占地面积小、对场地平整程度要求不高等优点。聚光型光伏发电系统又可分为槽式聚光热发电系统、塔式聚光热发电系统和碟式斯特林太阳能热发电系统三大类。
1.槽式聚光热发电系统。太阳能发电最早被使用的技术就是槽式聚光技术，其也成为聚光式太阳能技术中最为成熟的技术。槽式太阳能热发电是借助槽形抛物面聚光器将太阳光聚焦反射到接收聚热管上，通过管内热载体将水加热成蒸汽，推动汽轮机发电。因此，槽式热发电的关键技术是太阳热能聚光器、吸收器、跟踪技术及高温热能储存技术。槽式太阳能热发电厂主要包括集热和发电两大部分。其中集热部分不同于传统发电，主要包括：抛物面槽形反光镜、热接受器、单轴追踪控制系统、集热器基础结构几部分。槽式聚光热发电系统是目前使用最早，最成熟也最为经济的发电系统。
2.塔式聚光热发电系统。塔式聚光技术是通过接受器聚焦分布安装在聚光塔周围呈环形排布的定日镜阵反射的太阳光。在接受器内实现热能的转化，进而驱动涡轮机带动发电机发电。西班牙的PS20是目前建设的最大的塔式热发电厂，装机容量为20MW，占地约1 415亩。若场地条件允许，此系统可以搭配传统热电厂，形成循环蒸汽涡轮机发电系统，减少对化石燃料的依赖。
3.碟式斯特林聚光热发电系统。碟式斯特林聚光热发电系统主要由旋转抛物面反射镜、吸热器、跟踪装置和热功转换装置等组成，安装在一个双轴跟踪支撑装置上，实现定项跟踪，连续发电。碟式斯特林聚光热发电系统既保留了塔式系统聚焦比高、规模大的优点，又较好地解决了塔顶吸热器热损大的缺点，安装维护成本较低。但碟式斯特林聚光热发电系统也存在一些明显的缺点，如发电效率低、占地面积大、使用材料多等。
针对三种聚光式热发电系统在规模、运行温度、年容量因子、峰值效率、年净效率、商业化情况及技术开发风险等因素做出的综合比较，从各项指标可以看出，槽式系统目前在商业运行中比较成熟。
三、太阳能热发电技术的应用前景
能源危机加上太阳能资源的多种优势，大量的传统的靠化石燃料获取能源的公司转而进入太阳能发电的开发，尤其是一些资源贫乏的发达国家，如日本等。太阳能的存储是一项关键技术，目前涉猎太阳能电池的企业已形成规模。太阳能电池按材料组成可分为结晶系、薄膜系、多接合系、有机系等，市面常见的是结晶硅型，而薄膜系太阳能电池未来也将有较大的市场。我国作为能源需求大国，在结晶硅太阳能电池和结晶硅太阳能电池组件的生产上成绩显著，总量均占到世界总量的一半左右。在世界各国的努力下，新型复合材料的制成，获取太阳能技术将不断成熟，成本也会降低，大规模的太阳能热电厂会越来越多，当太阳能发电成本降低到一定程度时，将会成为未来电网的主力。
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还是自己写吧，这个有点困难。
水热法生长二氧化钛纳晶及在染料敏化太阳能电池板的应用1 引言1991 年瑞士学者Gratzel 等在Nature 上发表文章,提出了一种新型的以染料敏化二氧化钛纳晶薄膜为光阳极的太阳能电池，其具有制作简单、成本低廉、效率高和寿命长等优点,光电转换效率目前可以达到11%以上,因此成为新一代太阳能电池的主要研究发展方向[1-4]。染料敏化太阳能电池的光电转换效率的提高要归功于其独特的纳晶多孔薄膜电极，其可以使电子在薄膜中有较快的传输速度，且具有足够大的比表面积，能够吸附大量的染料，并且与染料的能级相匹配。所以因对染料敏化太阳能电池的复杂的作用，许多科学工作者致力于制备功能和性能良好的TiO2 纳晶多孔薄膜电极[5, 6]。在纳晶TiO2 的三种晶型中，锐钛矿相的光电活性最好，最实用于染料敏化太阳能电池中，所以在制备纳晶TiO2 时，金红石相和板钛矿相纳晶应该尽量避免。对TiO2 纳晶的生长，许多研究者开始在水热法中采用有机碱做胶溶剂来制备TiO2 纳晶[7-9]。Yang 用三种有机碱做胶溶剂制备了粒经和形貌不相同的TiO2 纳晶，其结果证明了有机碱的加入对纳晶粒子大小、形貌及表面积等有一定影响[10]。但是，如何制备晶型和形貌都能满足于染料敏化太阳能电池的要求却很少讨论。在本章中，采用水热法基础上，分别使用三种有机碱四甲基氢氧化铵（TMAOH）、四乙基氢氧化铵（TEAOH）、四丁基氢氧化铵（TBAOH）做胶溶剂来制TiO2 备纳晶并应用于染料敏化太阳能电池中并研究了制备条件的不同对纳晶形貌、粒径大小及电池光电性能的影响。2 实验主要药品和仪器钛酸四正丁酯、异丙醇、聚乙二醇20,000、碘、碘化锂、4-叔丁基吡啶（TBP）、OP乳化剂（Triton X-100）（AR，均购于中国医药集团上海化学试剂公司）；敏化染料（cis-[(dcbH2)2Ru(SCN)2]，SOLARONIX SA.）；四甲基氢氧化铵（TMAOH）(25 %)、四乙基氢氧化铵（TEAOH）(20 %)、四丁基氢氧化铵（TBAOH）(10 %) （均购于中国医药集团上海化学试剂公司）；可控温磁力搅拌器（C-MAG HS4，德国IKA）；马弗炉（上海实验电炉厂）；100 W 氙灯（XQ-100 W，上海电光器件有限公司）；导电玻璃基片（FTO，15 Ω/cm2，北京建筑材料研究院）；X 射线粉末衍射仪（XRD） D8-advance(Bruker 公司)；扫描电子显微镜(SEM)S-3500N（日本日立公司)；透射电镜(TEM)JEM-2010(日本)；红外光谱分析仪Nicolet Impact 410 spectrometer；紫外–可见分光光度计UV-Vis 3100 (Shimadzu corporation, Japan)。3 实验部分 纳晶TiO2 的制备根据文献的制备方法[6-11]，把钛酸四正丁酯与等体积的异丙醇混合均匀并逐滴加入到蒸馏水中并不断的搅拌30分钟（[H2O]/[Ti(OBu)4] = 150），过滤并用水和乙醇溶液洗剂2-3次。在强烈搅拌下，把所得到的沉淀加入到pH=的含有有机碱的溶液中，在100 °C搅拌24小时，得到半透明的胶体。将得到胶体装入高压釜（填充度小于80%）。在200 oC水热处理12小时。水热处理后，得乳白色混合物并伴有鱼腥味，这表明有机碱分解为了胺类化合物。将高压釜处理后的TiO2胶体连同沉淀一起倒入烧杯，经50 oC浓缩至原来的1/5，加入相当于TiO2量20%-30%的聚乙二醇20,000及几滴Triton X-100，搅拌至均匀，得稳定的TiO2纳晶浆体。 纳晶薄膜电极的制备将洗净的导电玻璃四边用透明胶带覆盖，通过控制胶带的厚度和胶体的浓度来控制膜的厚度[12]，中间留出约1×1 cm2空隙，将在酸性条件下制备的小粒径的纳晶TiO2胶体用玻片均匀的平铺在空隙中。空气中自然晾干后，在马弗炉中升温至450 ?C热处理30分钟，使TiO2固化并烧去聚乙二醇等有机物，冷却至80 ?C，经过仪器测量，薄膜的平均厚度在6微米左右。将获得的纳晶多孔薄膜浸泡于N3染料溶液中24小时，使染料充分地吸附在TiO2上，取出后用乙醇浸泡3-5分钟，洗去吸附在表面的染料，在暗处自然晾干，即得到染料敏化的纳晶多孔TiO2薄膜电极。首先按上文所述制备纳晶多孔薄膜，制备的薄膜平均厚度在微米左右，将其重新用透明胶带覆盖，把用TMAOH做胶溶剂的条件下制备的大粒径的纳晶TiO2浆体用玻片均匀的平铺在空隙中。空气中自然晾干后，重新在马弗炉中升温至450 ?C热处理30分钟，反射层的纳晶薄膜的平均厚度控制在微米左右，热处理后即得双层纳晶薄膜。浸泡染料后即得双层纳晶薄膜电极。 DSSC 的组装以染料敏化纳晶多孔TiO2薄膜电极为工作电极，以镀铂电极为对阴极[13]，将染料敏化电极与对阴极用夹子固定，在其间隙中滴入以乙腈为溶剂、以 mol/L LiI+ mol/L I2+ TBP为溶质的液态电解质，封装后即得到染料敏化太阳能电池。 光电性能测量采用100 W氙灯作为太阳光模拟器，其入射光强Pin为100 mW/cm2。在室温下进行测量，记录其短路电流ISC和开路电压VOC，并应用公式计算其填充因子ff和光电转换效率η。 表征与分析采用 D8-advance 型X 射线粉末衍射仪测定TiO2 的晶体结构，测试条件为：Cu Kα(λ= ?)，电压：40 KV，电流：40 mA。扫描速度:6?/min，扫描范围：10?-80?。采用KBr 压片法测量样品的红外光谱，测试条件：400-4000 cm-1，软件：OMNIC ，扫描次数30 次。采用JEM-2010（日本)型透射电子显微镜(TEM)观察TiO2 纳晶的表面形貌及粒径大小。用紫外-可见分光光度计（UV-3100）测试不同粒径TiO2 纳晶多孔薄膜电极吸附染料的吸光度。TG 的升温速度：10 ℃/min，范围：室温至1000 ℃，测试仪器：SDT 2960 同步DSC-TGA 装置 (USA TA 设备)。4 结果与讨论 有机碱对TiO2 纳晶的形貌和粒径的影响Sugimoto 和他的合作者们研究了影响TiO2 纳晶生长的一些因素，其中pH 的值、有机碱的烷基链的长短、水热的温度以及水热的时间等因素都对TiO2 纳晶颗粒的大小和形貌有很大的影响[14-17]。通过研究发现，四烷基有机碱作为模板来控制TiO2 纳晶的形貌和大小。所以可以使用不同的有机碱来制备适合于染料敏化太阳能电池光电传输的晶型完整并具有较大的比表面积的TiO2 纳晶。是在不同的有机碱做胶溶剂时制备的TiO2 纳晶的TEM 图，a 图是采用TMAOH 做胶溶剂，b 图是采用TEAOH 做胶溶剂，c 图是采用TBAOH 做胶溶剂。从图中可以看出，在相同pH 值下，不同的有机碱做胶溶剂时，制备的纳晶明显不同，这说明胶溶剂对TiO2纳晶的粒径大小和形貌有很大的影响，而且随着有机碱胶溶剂烷基链的加长，TiO2 纳晶的粒径减小，并且粒子为多面体。当用TMAOH 做胶溶剂时，制备的TiO2 纳晶的粒子多为四方体，颗粒宽12-20 nm，粒子长20-40 nm，如图1a 所示。当用TEAOH 做胶溶剂时制备的TiO2 纳晶的粒子颗粒不均匀，而且形貌也不规则有多面体形的也有四面体形的，粒子宽度8-10 nm，长度10-25 nm，如图1b 所示。而当有机碱的烷基链长从两个碳原子增加到四个碳原子时，即用TBAOH 用作胶溶剂时制备的纳晶颗粒粒子大小较均匀而且形貌也较规则，多为正方体，粒子大小一般在5nm 左右，如图1c 所示。在TiO2 纳晶的水热生长过程中，有机碱首先是吸附在TiO2 的晶核上，而烷基链的长短不同吸附的能力不同，吸附能力越大则就会阻碍纳晶的生长。研究发现[6]，烷基链越长则有机碱吸附在晶核上的吸附力越大，则会阻碍晶体的生长，所以随着有机碱烷基链的长度的增加，纳晶颗粒在不断的减小；并且研究发现，胶溶剂的浓度不能太大，太大时制备的TiO2 纳晶就会出现严重的团聚现象[10]。 有机碱对TiO2 纳晶晶型的影响是用三种有机碱做胶溶剂时制备的TiO2 纳晶的XRD 图，a 是制备的TiO2 纳晶经过自然风干后的XRD，b 是制备的三种TiO2 纳晶经过50 °C 热处理30 分钟中后的XRD 图。从图2a 中可以看出，2θ = °是TiO2 纳晶锐钛矿的特征峰，但是还有一些其它的杂峰，这些杂峰证明是有机胺类化合物的峰。当把制备的纳晶经过450 °C 热处理30 分钟中后，a 图中的杂峰就消失，TiO2 在2q ＝°，°，°，°，°和°的衍射峰的d 值均与标准PDF 卡片锐钛矿型TiO2 衍射峰相符，说明所制备的TiO2 的晶型为锐钛矿，没有金红石相和板钛矿相出现，制备的为纯的锐钛矿相TiO2 纳晶。在传统水热方法中，采用硝酸做胶溶剂，制备的纳晶TiO2 中，含有少量的金红石相和板钛矿相，而这两种的光电性能较差，影响染料敏化太阳能电池的光电转换效率。而用有机碱做胶溶剂制备的TiO2 纳晶可满足染料敏化太阳能电池中对锐钛矿相的要求。随着有机碱烷基链的增加，样品的特征衍射峰宽逐渐变大，并且衍射峰值逐渐减小，这表明制备纳晶颗粒不断减小，这与TEM 的结果一致。 TiO2 纳晶的热稳定性分析是用三种有机碱制备的TiO2 纳晶的红外光谱图，(a) 是制备的纳晶粉末在80 °C 烘干24 小时，(b)是制备的纳晶粉末在450 °C 热处理1 小时，光谱范围是400-4000 cm-1。从红外光谱图可知，三种纳晶红外图谱相近。图3(a)中出现了有机化合物的一些键如C-H, N-H,和O-H 等键，但随着在450 °C 热处理1 小时后，这些化合键就消失了，而TiO2 薄膜的红外谱图中主要有Ti-O-Ti 键伸缩振动峰在500cm-1 附近，没有出现宽的吸收带，如图3(b)所示，这一结果与文献中的结果相一致[7]。这说明在有机碱条件下制备的TiO2 纳晶在经过450 °C后为稳定的锐钛矿相，吸附在其表面的有机物分解完全。从XRD 的结果也可以得出(图 3b)，所有有机化合物在经过450 °C 热处理后都消失完全了，这说明二氧化钛化合物在高于450 °C热处理后，可以晶化为稳定的锐钛矿相TiO2 纳晶。是用有机碱做胶溶剂时制备的TiO2 纳晶粉末热稳定性的TG 分析。这些纳晶粉末是在105 °C 下烘干24 小时，而没有进行任何热处理的。从图中可以看出，有两个失重过程。第一个过程是100～250 °C 之间的明显失重，可以认为是失去了吸附在纳晶粉末表面的水分子和一些醇。第二个过程是250～400 °C 之间的失重，是因为粉体中吸附的有机物成份的失去。有机物与制备的氧化物之间有很强的键和作用，这些有机物包裹着氧化物，当温度达到400 °C 时，这些键和作用才会消失，有机物完全分解，这说明有机物与纳晶颗粒之间的力结合不是太大不影响纳晶的晶化。另外发现，在不同有机碱胶溶剂下制备的纳晶粉末的失重情况明显不同，在采用TBAOH 做胶溶剂时的失重明显要高于使用TMAOH 做胶溶剂时的，这说明前者表面吸附了更多的有机物。吸附有机物的量不同，表明制备的纳晶粉末的形貌和粒径大小也明显不同[14]，这与TEM 的结果一致，在采用TBAOH 做胶溶剂时制备的TiO2纳晶颗粒较小表面积较大，这就使吸附在纳晶表面的有机物就增多，所以在进行热分解时失重较多；而采用TMAOH 做胶溶剂时制备的TiO2 纳晶颗粒明显大许多，表面积又小所以吸附的有机物就会减小，所以在热分解时失重较少。从失重量的多少也可以简单分析出制备的纳晶颗粒和形貌的异同。用有机碱做胶溶剂来制备TiO2 纳晶，会对其晶型及其晶型的稳定性有一定的影响。图5 为有机碱TEAOH 做胶溶剂的条件下制备的TiO2 纳晶及其分别在300 °C，500 °C，700 °C，800 °C，900 °C 烧结1 小时样品的XRD 谱图。在TiO2 纳晶的晶型中，峰位于2θ=°是锐钛矿相的特征衍射峰，峰位于2θ=°是金红石相的特征衍射峰。从图中可知，TiO2 纳晶在800 °C 烧结前，晶型没有发生变化。在800 °C 烧结之后，才出现了金红石相晶型，这一结果与Young 等人的研究结果一致[18]。据报道在酸性条件下制备的TiO2 纳晶，在烧结温度达600 °C 时，锐钛矿晶型就开始向金红石晶型转变[19]。而用有机碱TEAOH 做胶溶剂制备的TiO2 纳晶从锐钛矿相向金红石相转变的温度有所提高，这说明用有机碱TEAOH 做胶溶剂制备的TiO2 纳晶热稳定性提高了，这一稳定性说明，可以对锐钛矿型TiO2 纳晶在较高的温度下进行烧结，而不改变其晶型，即没有金红石型纳晶出现。 BET 和吸附染料能力的研究用不同的有机碱做胶溶剂所制备的TiO2 纳晶粉的表面积进行分析，实验得出，在使用有机碱TMAOH 做胶溶剂时制备的TiO2 纳晶粉的比表面积为66 m2·g-1，但是当使用TEAOH和TBAOH 做胶溶剂时，制备的TiO2 纳晶粉的比表面积为78 m2·g-1 和82 m2·g-1。这一结果与粒径越大比表面积越小相一致，颗粒大小如图1 所示，这说明颗粒越小比表面积越大。研究发现，吸附的染料（RuL2(SCN)2）的多少并不一定随着比表面积的增大而增大。为了研究用于染料敏化太阳能电池测试的TiO2 纳晶多孔薄膜吸附染料的多少，把敏化的电极在5 mL mol/L NaOH 溶液中让染料进行脱附，之后对染料的碱性溶液进行吸光度的分析，UV-vis 吸收光谱的结果如图5 所示。图中a、b 和c 三条曲线分别是采用TMAOH、TEAOH和TBAOH 做胶溶剂时制备的TiO2 纳晶。根据朗伯-比尔定律可知吸光度随浓度增加而增大，结果显示，采用TMAOH 做胶溶剂时制备的TiO2 纳晶吸收的染料最少，这与比表面积越小吸附的染料越少相吻合，但比其它两种纳晶的吸附量要少很多。虽然采用TBAOH 做胶溶剂时制备的TiO2 纳晶的比表面积比用TEAOH 做胶溶剂所制备的TiO2 纳晶的比表面积大，但是后者却比前者所吸附的染料多，这里可能的解释就是因其用TBAOH 做胶溶剂时制备的TiO2 纳晶的颗粒太小还不足10nm，所以用其制备的纳晶多孔薄膜太致密而使得吸附的染料减小。 染料敏化太阳能电池光电性能研究采用有机碱制备的三种不同形貌和粒径大小的TiO2 纳晶，并用其制备了敏化电极应用于染料敏化太阳能电池光电性能的研究，如图6 所示。表1 给出了三种不同电极的所组装的电池的短路电流、开路电压、填充因子和光电转换效率的值。在100 mW/cm2 光照条件下，三种电池的短路电流分别为、、 mA/cm2，开路电压分别为、、，填充因子分别为，光电转换效率分别达到了。从实验结果可知，采用有机碱TEAOH 制备的TiO2 纳晶所组装的电池的光电转换效率比其它两种电池的光电转换效率要高。可知，采用有机碱TEAOH 所制备的TiO2 所制备的电池的开路电压要比采用有机碱TMAOH 所制备的TiO2 所制备的电池的要低，但是其电池的短路电流和填充因子都要比其它两种有机碱所制备TiO2 所组装的电池要高。这可能是因为（1）用有机碱TEAOH 所制备的TiO2 纳晶粒经比较适中，制备的多孔薄膜粒子与粒子之间结合比较紧密，这样就提高了电子在薄膜中的传播速度；（2）较其它两种多孔薄膜吸附的染料要多，研究表明吸附的染料的量与所产生的光电流成正比，吸附的染料越多，则产生的光电流越大，用有机碱TEAOH 做胶溶剂所制备的TiO2 多孔薄膜所吸附的染料最多，所以用其所组装的染料敏化太阳能电池的短路电流最高，电池的光电转换效率也达到最好。5 结论本章采用了钛酸四正丁酯为原料，以三种有机碱做胶溶剂来制备TiO2 纳晶，以三种制备的敏化的纳晶多孔薄膜为电极组装了染料敏化太阳能电池，并对其进行了电池光电性能的测试。研究了这三种有机胶溶剂对TiO2 纳晶晶体生长的影响，采用三种不同烷基链的有机碱做胶溶剂制备的纳晶形貌和大小有很大的不同，研究发现，随着烷基链的加长，纳晶的形貌开始变得规整，粒径也减小，但是有机碱的浓度不能太大，浓度过高时，会使制备的纳晶出现团聚，所以在使用有机碱做胶溶剂时，采用的是在pH= 的条件下制备的。通过热稳定性分析发现，吸附在TiO2 纳晶表面的有机碱在450 °C 热处理后，有机物分解完全，这说明在制备纳晶多孔薄膜时，有机物分解完全，多孔薄膜中为纯的TiO2 纳晶。因为三种TiO2纳晶形貌和大小不同所以制备的多孔薄膜吸附染料的量也不相同。实验发现采用有机碱TEAOH 做胶溶剂时制备的TiO2 的敏化电极吸附的染料最多，电池光电性能测试也显示用此TiO2 纳晶制备的电池开路电流达到 mA cm-2，光电转换效率达到，比其它两种电池的光电转换效率要高，这说明用有机碱TEAOH 做胶溶剂所制备的TiO2 纳晶的形貌和大小比其它两种有机碱胶溶剂制备的TiO2 更适合应用于染料敏化太阳能电池。更多毕业论文请到
太阳电池又称光伏电池，是一种能有效地吸收太阳辐射能，并使之转变成电能的半导体器件。它可单独地作为光探测元件，例如在照像机中使用，主要是经过串联和并联，以获得所需的电压及电流来作为供电电源使用。太阳电池的外观就如一张薄的卡片或一片薄的玻璃片一样，与普通电池外观不同，它自身也不能储存电能，即没以有光时就不发电，如果晚上要用它，就要与蓄电池配合使用。 太阳电池的面积每100㎝2在强阳光下约产生1瓦的电，我们常说的1度电是1千瓦小时，也就是1千瓦这样的电池工作1小时才能产生1度电。 太阳电池发展概况 太阳能光伏发电，可视为迄今为止最美妙、最长寿和最可靠的发电技术。与太阳能发电相比，它另涉及半导体器件，既无运动部件，又无流动工质，因此，避免了机械维修和工质腐蚀的问题,是可再生能源和可持续发展的可靠能源。 硅太阳电池的发展，始于1954年在,美国贝尔研究所试制成功，次年便被用做电信装置的电源，1958年又被美国首次应用和于“先锋1号”人造卫星。宇宙开发极大地促进了太阳电池的开发。与此同时，地面用太阳电池的研究也在不断开展，特别是1973年的能源危机，又大大加速了地面太阳电池的发展。许多国家为开发、利用太阳能电池，为阳光发电的研究投入了相当数量的资金。迄今为止翱翔于太空的成千个飞行器中，大多数都配备了太阳能电池系统。第一颗人造卫星上天，是光伏技术开发利用的起点，经过近五十年的发展，它已形成一门新的光伏科学与光伏工程。无论是在宇宙飞行中的应用，还是作为地面发电系统的应用，从开发速度、技术成熟性和应用领域来看，光伏技术都是新能源中的佼佼者。 太阳电池作为有潜力的可再生能源，在地面上逐渐得到推广。太阳电池的成本及售价也在逐年下降，多年来太阳电池的产量一直以10-25%的增长率在增加。1990年世界太阳能电池组件的产量70MW（兆瓦），我国为，主要是用在太阳光照好的边远地区。到2001年全世界太阳电池的产量达到350MW，我国太阳能电池的实际产量已达到，累计安装量已超过20MW。我国是个发展中国家，地域辽阔，有许多边远省份和经济欠发达地区。据统计目前我国尚有700万户（2800万人口），还没有用上电，60%的有电县严重缺电。这些地区在短期内不可能靠常规电力解决用电问题，光伏发电则是解决分散农、牧民用电的理想途径，市场潜力非常巨大。 光伏发电具有许多优点：如：安全可靠、无噪声、无污染、能量随处可得，不受地域限制，无须消耗燃料，无机械转动部件，故障率低，维护简便，可以无人值守，建站周期短，规模大小随意，无须架输电线路，可以方便地与建筑物相结合等，这些优点都是其它发电方式所不及的。 目前国际上大量使用的电池为单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池和非晶硅太阳电池三种，这三种电池约各占1/3的市场，我国目前有7个太阳电池生产线，主要是生产单晶硅及非晶硅太阳电池，多晶硅太阳电池也有少量生产。我国生产单晶硅太阳电池的效率在12-13%，多晶硅太阳电池在10%，非晶硅太阳电池在5-6%。晶体硅太阳电池在研究上是朝着高效率化、薄片化、大面积化的方向发展。1995年我国晶体硅太阳电池组件的参考价格为45元/瓦，非晶硅太阳电池组件为25元/瓦，仍为常规能源的几倍，但在无电地区及拉线不方便的地方，已产生了良好的经济效益。
杂化钙钛矿太阳能电池论文绪论可以从研究背景、研究方法、研究内容和创新点等方面写。杂化钙钛矿太阳能电池论文的绪论可以从研究背景、研究意义开篇，然后说明文章的研究方法，是定量研究还是定性研究，其次是需要说明文章的研究思路或者研究内容，最后，交代论文的创新点，这是比较重要的部分，需要结合当下研究热点，展开说明本论文的创新之处。
有机阳离子以及卤素阴离子空位缺陷是制约钙钛矿太阳能电池高效率以及长期稳定性的主要因素，如何同时消除这两种缺陷是当下的难题。基于此，北京大学工学院周欢萍研究员课题组提出一种新的消除机制，即在钙钛矿活性层中引入氟化物，利用氟极高的电负性，实现氟化物同时与有机阳离子形成强氢键以及与铅离子形成强离子键的双重效果。研究从而有效消除了有机阳离子以及卤素阴离子的空位缺陷，大大提升了电池的光电转换效率和长期稳定性。相关研究于2019年5月13日在国际顶级学术期刊《自然能源》( Nature Energy )上发表，题为“Cation and anion immobilization through chemical bonding enhancement with fluorides for stable halide perovskite solar cells”(doi:)。 太阳能作为一种取之不尽用之不竭的清洁能源备受研究人员关注，而将太阳能转换为电能的太阳能电池也是世界上众多课题组青睐的材料。近年来，有机无机杂化钙钛矿太阳能电池以其高效率、低成本的优势获得了学术界和产业界的众多关注，而其光电转换效率也在短短几年内迅速提升至％，是单节电池中当下效率最高的薄膜太阳能电池。 然而，这类电池稳定性不佳是严重阻碍其商业化应用的主要因素。相比于传统无机光伏材料，有机-无机杂化钙钛矿材料晶格较软，且是一种离子晶体，易在外界环境的干扰下发生离子迁移，形成大量的空位缺陷，从而诱导晶格塌缩以及组分分解，从而使其不再具备优异的光电转换能力。 在众多的空位缺陷中，卤素阴离子和有机阳离子空位由于其较低的缺陷形成能而普遍存在于钙钛矿表面以及晶界，该两种空位缺陷不仅会影响太阳能电池的工作效率，且会诱导钙钛矿晶体的进一步退化，形成更多的体相缺陷。针对这两种缺陷之前报道的工作主要集中在钝化单一缺陷，即有机阳离子或卤化物空位，无法做到“鱼与熊掌兼得”。如何同时消除这两种缺陷，实现钙钛矿太阳能电池的更高效率和高稳定性是钙钛矿材料目前最为棘手的问题。针对上述重要问题，周欢萍课题组提出了一种全新的消除机制，即通过在钙钛矿活性层中引入氟化钠，利用氟极高的电负性，实现氟化物同时与有机阳离子形成强氢键以及与铅离子形成强离子键的双重效果。基于此离子键和氢键的化学键调制，可以固定钙钛矿组分中的有机阳离子和卤素阴离子，从而消除了相应的空位缺陷，电池效率和稳定性都得到了明显提升。氟化钠引入的电池器件最高效率达到了％(认证值为％)，且没有明显的迟滞现象。同时，引入氟化钠的器件表现出优异的热稳定性和光稳定性，在一个太阳的连续光照射或85°C加热1000小时后，器件仍可分别保持原有效率的95％和90％，在最大功率点处连续工作1000小时后可以保持原有效率的90%。该方法解决了钛矿太阳能电池中限制其稳定性的两个重要因素——有机阳离子和卤素阴离子空位，并可推广至其他的钙钛矿光电器件；且化学键调制的方法对于其他面临类似问题的无机半导体器件也具有重要参考意义。该论文的第一作者是周欢萍课题组的2017级博士生李能旭，周欢萍特聘研究员为通讯作者。合作者还包括埃因霍温理工大学Shuxia Tao课题组和北京理工大学陈棋课题组、北京理工大学洪家旺课题组、香港大学杨世和课题组、中南大学谢海鹏老师、特温特大学Geert Brocks教授等。该工作得到了国家自然科学基金委、 科技 部、北京市自然科学基金、北京市科委、先进电池材料理论与技术北京市重点实验室等联合资助。 周欢萍课题组近期致力于提高钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性，取得的一系列重要进展相继在 Science (DOI: ), Nature Energy (DOI: ), Nature Communications (DOI: ;DOI: 和 DOI: )， Advanced Materials (DOI: )， Journal of the American Chemical Society (DOI: ) 上发表。
太阳能电池是实现光能到电能转换的光伏器件。在光电转换过程中，光伏器件内部 经历了光生电荷的产生、分离、转移、输运、复合、抽取等多个体相和界面动力学过程。这些电荷动力学过程本质上主导着器件本身的性能。 如何精确测量些微观动力学参数？如何准确理解这些动力学过程的物理机制? 是光电、电光领域的重要研究课题。也是评价材料性能和指导器件结构优化进而提高器件性能的必由之路。
中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心孟庆波团队在 探索 高性能薄膜新型太阳能电池的同时一直致力于开发用于太阳能电池的电荷动力学和缺陷态等物理性质的量化测量和分析方法，已经取得了一系列研究成果。比如成功研制了可调控的太阳能电池瞬态光电测量系统， 实现了太阳能电池在实际工作状态下电荷动力学的测量 （Rev. Sci. Instrum. 2016, 87, 123107）， 成功应用于钙钛矿太阳能电池离子动力学的测量 （Appl. Phys. Lett. 2015, 107, 163901）； 量化分析了太阳能电池的界面和体相缺陷分布，并用于阐明了钙钛矿太阳能电池的电学稳定性问题的界面起源 （Adv. Energy Mater. 2019, 9, 1901352）。
从光伏器件的 差分电容 入手研究了基于电瞬态表征技术的常规带尾态模型理论框架的有效性问题，指出该模型在电池测量状态的一致性和对太阳能电池光电压产生的物理过程等方面存在不合理假设，证明带尾态模型理论分析方法在太阳能电池测量和研究不具备的普适性。
通过 理论计算 模拟电瞬态表征技术背后器件的载流子动力学和电荷损失机制，他们提出了一种新的量化太阳能电池电荷损失的理论分析方法，可以从电瞬态表征技术中定量提取光伏器件的电荷动力学量子效率和相关缺陷态信息（例如：定量化器件中电荷抽取和收集量子效率以及吸收层中的缺陷态密度）。该方法对于常规硅太阳能电池、新兴的铜锌锡硫太阳能电池和钙钛矿太阳能电池具有很好的普适性，并且能够扩展到其他类似结构的光伏器件。 这项工作为全面研究太阳能电池中载流子动力学过程和电荷损失机制提供了有效的途径，并在其他光电器件中具有潜在的应用价值。
该工作以“Exploiting Electrical Transients to Quantify Charge Loss in Solar Cells”为题，发表在Joule杂志上 （Joule 4, 472–489）。物理所博士研究生李一明和物理所石将建副研究员为该论文的共同第一作者，物理所孟庆波研究员为该论文的通讯作者。这项研究得到了国家自然科学基金委、中国科学院和 科技 部的支持。
图1. 对于器件差分电容的精确测量
图2. 钙钛矿吸收层中电荷传输的模拟和光电压的建立过程
图3. 钙钛矿太阳能电池中的电瞬态研究：Device A and B光电转换效率 （A）量化电荷抽取和收集量子效率（B）以及钙钛矿吸收层中的缺陷态密度（C）。
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导读
背景
1839年，德国矿物学家古斯塔夫·罗斯（Gustav Rose）站在俄罗斯中部的乌拉尔山脉上，拾起一块以前从未被发现的矿物。
那时，他并没有听说过“晶体管”或“二极管”，也没想到电子器件会成为我们日常生活的一部分。更出乎他意料的是，他手中的这块被他以俄罗斯地质学家 Lev Perovski 的名字命名为“钙钛矿（perovskite）”的这块矿石，会成为彻底变革电子器件的关键因素之一。
钙钛矿如此重要的地位，离不开它特殊的结构。钙钛矿材料结构式一般为ABX3，其中A为有机阳离子, B为金属离子, X为卤素基团。该结构中, 金属B原子位于立方晶胞体心处, 卤素X原子位于立方体面心, 有机阳离子A位于立方体顶点位置。
钙钛矿结构稳定，有利于缺陷的扩散迁移，具备许多特殊的物理化学特性，例如电催化性、吸光性等。
过去十年，钙钛矿因为制造起来更便宜、更绿色，效率可与硅太阳能电池相媲美，逐渐成为硅太阳能电池的替代品。
然而，钙钛矿仍会表现出明显的性能损耗以及不稳定性。迄今为止，大多数的研究集中在消除这些损耗的方法，然而真正的物理原因仍然是未知的。
创新
近日，在一篇发表在《自然（Nature）》期刊上的论文中，来自剑桥大学化学工程与生物技术系以及卡文迪许实验室 Sam Stranks 博士的研究小组，以及日本冲绳科学技术大学院大学 Keshav Dani 教授的飞秒光谱学单位的研究人员们，找到了问题的根源。他们的发现，将使得提升钙钛矿的效率变得更容易，从而使它们离大规模量产更近。
技术
当光线照射钙钛矿太阳能电池时，或者当电流通过钙钛矿LED时，电子被激发，跳跃到更高的能态。带负电荷的电子留下了空白，也称为“空穴”，它带正电荷。受激发的电子与空穴都可以通过钙钛矿材料，因此可成为载流子。
但是，在钙钛矿中会产生一种称为“深阱”的特定类型缺陷，带电的载流子会陷入其中。这些被困的电子与空穴重新结合，它们的能量以热量形式丧失，而不是转化为有用电力或者光线，这样就会显著降低太阳能面板和LED的效率以及稳定性。
迄今为止，我们对于这些陷阱知道得很少，部分原因是，它们似乎与传统太阳能电池材料中的陷阱表现得大相径庭。
2015年，Stranks 博士的研究小组发表了一篇研究钙钛矿发光的《科学（Science）》期刊论文，这篇论文揭示了钙钛矿在吸收光线或者发射光线方面有多擅长。Stranks 博士表示：“我们发现，这种材料非常不均匀；相当大的区域是明亮且发光的，而其他的区域则非常黑暗。这些黑暗区域与太阳能电池或者LED中的能量损耗相关。但是，引起这种能量损耗的原因一直是个谜，特别是由于钙钛矿在其他方面非常耐缺陷。”
由于标准成像技术的限制，研究小组无法说明黑暗区域是由一个大的陷阱位引起的，还是由众多小的陷阱位引起的，从而难以确定它们为什么只是在特定区域形成。
后来在2017年，Dani 教授在 OIST 的研究小组在《自然纳米技术（Nature Nanotechnology）》期刊上发表了一篇论文，在论文中他们制作了一个有关电子吸收光线后在半导体中如何表现的影片。Dani 教授表示：“在材料或者器件被照射光线之后，如果你可以观察到电荷是如何在其中移动的，那么你将从中学会很多。例如，你可以观察到电荷会落入陷阱。然而，因为电荷移动得非常快，以一千万亿分之一秒的时间尺度来衡量；并且穿越非常短的距离，以十亿分之一米的长度尺度来衡量；所以这些电荷难以进行可视化观测。”
在了解到 Dani 教授的工作之后，Stranks 博士伸出援手，看看他们是否可以一起合作应对这个问题，对钙钛矿中的黑暗区域进行可视化观测。
OIST 的团队首次对钙钛矿使用了一项称为“光激发电子显微镜（PEEM）”的技术。他们用紫外光探测材料，并用发射的电子形成一幅图像。
观察材料时，他们发现含有陷阱的黑暗区域，长度大约是10到100纳米，由较小的原子尺寸陷阱位聚集而成。这些陷阱簇在钙钛矿材料中分布不均，从而解释了 Stranks 较早的研究中观察到的非均匀发光。
有趣的是，当研究人员将陷阱位的图像覆盖到显示钙钛矿材料晶粒的图像上时，他们发现陷阱簇仅在特定的地方形成，即某些晶粒之间的边界上。
为了理解这种现象为什么只发生在特定晶粒的边界上，研究人员小组与剑桥大学材料科学与冶金系教授 Paul Midgley 的团队合作，他采用了一项称为“扫描电子衍射”的技术，创造出了钙钛矿晶体结构的详细图像。Midgley 教授的团队利用了位于金刚石光源同步加速器 ePSIC 设施中的电子显微镜装置，该设施拥有用于成像像钙钛矿这样的光束敏感材料的专用设备。
Stranks 研究小组的博士生、这项研究的共同领导作者 Tiarnan Doherty 表示：“因为这些材料是超级光束敏感的，你在这些长度尺度上用来探测局部晶体结构的一般技术，实际上会相当快地改变你正在观察的材料。取而代之的是，我们可以用非常低的照射剂量，从而防止损伤。”
“我们从 OIST 的工作中知道了陷阱簇的位置，并且我们在 ePSIC 围绕着同一块区域扫描，以观察局部结构。我们能够快速地查明晶体结构中陷阱位附近的意外变化。”
研究小组发现，陷阱簇只在材料中具有轻微扭曲结构的区域与具有原始结构的区域的结合处形成。
Stranks 博士表示：“在钙钛矿中，我们拥有这些规则的马赛克晶粒材料，这些晶粒大多数都是又好又崭新的，这是我们所希望的结构。但是，每隔一段时间，你就会得到一个稍微形变的晶粒，这个晶粒的化学成分是不均匀的。真正有意思的，也是一开始让我们困惑的，就是形变的晶粒并没有成为陷阱，而是这个晶粒遇到原始晶粒的地方；陷阱是在那个结合处形成的。”
通过对于陷阱本性的理解，OIST 的团队也采用了定制的 PEEM 仪器来可视化观测钙钛矿材料中载流子落入陷阱的动态过程。Dani 研究小组的博士生、这项研究的共同领导作者 Andrew Winchester 解释道：“这是可能的，因为 PEEM 的特征之一就是，可对超高速的过程进行成像，短至飞秒。我们发现，陷落的过程受到扩散到陷阱簇的载流子的控制。”
价值
这些发现代表了为了把钙钛矿带向太阳能市场所取得的一项重要突破。
Stranks 博士表示：“我们仍然无法准确地知道，为什么陷阱聚集在那里，但是我们现在知道它们确实在那里形成，并且只有那里。这非常令人振奋，因为这意味着我们现在可以知道如何有针对性地提升钙钛矿的性能。我们需要针对这些非均匀相，或者以某种方式去除这些结合处。”
Dani 教授表示：“载流子必须首先扩散到陷阱，这一事实也为改善这些器件提出了其他方案。也许，我们可以改变或者控制这些陷阱簇的排列，而无需改变它们的平均数，这样一来，载流子就不太可能到达这些缺陷部位。”
团队的研究集中在一种特殊的钙钛矿结构。科学家们也将研究这些陷阱簇是否在所有的钙钛矿材料中都是普遍存在的。
Stranks 博士表示：“器件性能的大部分进展都是经过反复试错的，然而目前为止，这一直是一个低效率的过程。迄今为止，这个过程还没有真正被‘理解特定原因以及系统性针对该原因’所驱动。它是这方面最重要的突破之一，将帮助我们采用基础科学来设计更高效的器件。”
关键字
参考资料
【1】Liu, ., Johnston, . and Snaith, . (2013) Efficient Planar Heterojunction Perovskite Solar Cells by vaPour Deposition. Nature, 501, 395-398.
【2】Tiarnan A. S. Doherty, Andrew J. Winchester, Stuart Macpherson, Duncan N. Johnstone, Vivek Pareek, Elizabeth M. Tennyson, Sofiia Kosar, Felix U. Kosasih, Miguel Anaya, Mojtaba Abdi-Jalebi, Zahra Andaji-Garmaroudi, E Laine Wong, Julien Madéo, Yu-Hsien Chiang, Ji-Sang Park, Young-Kwang Jung, Christopher E. Petoukhoff, Giorgio Divitini, Michael K. L. Man, Caterina Ducati, Aron Walsh, Paul A. Midgley, Keshav M. Dani, Samuel D. Stranks. Performance-limiting nanoscale trap clusters at grain junctions in halide perovskites . Nature, 2020; 580 (7803): 360 DOI:
【3】