走近能源：超高效天然太阳能电池！

2023-11-18 理论教育版权反馈

【摘要】：太阳能电池新技术的开发已成为世界热门，近年来取得了可喜成果。广岛大学和日本中国电力公司共同研制了超高效率太阳能电池元件。这种太阳能电池呈平面形状，易降低生产成本。在日本建筑综合试验所进行各种性能试验，结果认为，这种与建筑材料一体型太阳能电池作为建筑材料是相当实用的。使用建材一体型太阳能电池时，必须控制其屋顶的温度上升。这种被誉为“三明治式”的太阳能电池板是根据植物进行光合作用的原理研制成的。

太阳能电池的工作原理是使太阳光照在光电材料上使光能直接转换成电能，1954年诞生了世界上第一台硅太阳能电池，随后它被用作人造卫星的电源，从而取代了只能连续使用几天的化学电池，使卫星电源安全地工作了20多年之久。

太阳能电池的缺点是造价高、集光板占地面积大、贮能困难、阴雨天不能发电等。30多年来，通过大量研究和试制，成本不断降低，品种不断翻新，产量不断增加。从1981~1984年，全世界的太阳能光电池产量增长了三倍，1984年达到2.28万千瓦发电能力。预计本世纪末世界太阳能光电池容量将达500~1000万千瓦。

太阳能电池新技术的开发已成为世界热门，近年来取得了可喜成果。现在转换效率良好的硅系太阳能电池可吸收太阳光中较长波部分并转换为电能，最大转换效率为20%左右。而用多层积层太阳电池可吸收各种波长的太阳光，提高太阳电池的转换效率。

广岛大学和日本中国电力公司共同研制了超高效率太阳能电池元件。这种元件，上层是吸收太阳光短波波长成分并转换为电能的化合物半导体太阳能电池，下层吸收通过上层太阳能电池的长波长成分并转换为电能的硅系太阳能电池，是积层的串联式太阳能电池，这种电池的制造技术正在开发中。其电池的综合转换效率理论上已确认，可达到35%以上。

现在，国外已经出现了一些建材一体型太阳能电池，这种太阳能电池有以下优点：太阳能电池和建筑材料一体化，不需支撑台架；太阳能电池安装于屋顶，不需占据设置的土地；设置太阳能电池的屋顶，不需一般的建材。

建材一体型太阳能电池最早是在玻璃基瓦上，直接形成a-si太阳电池的太阳能电池瓦，样品已出厂。其后，又开发了板式建材一体型太阳能电池（以下简称建材一体型太阳能电池）。这种太阳能电池呈平面形状，易降低生产成本。而且其形状很像用于洋房的板式瓦，可望得到普及。

建材一体型太阳能电池的特别核心问题是管板问题，它与现有的太阳能电池不同，它是作为“建筑材料”（屋顶）所必须使用的部分。在日本建筑综合试验所进行各种性能试验，结果认为，这种与建筑材料一体型太阳能电池作为建筑材料是相当实用的。

使用建材一体型太阳能电池时，必须控制其屋顶的温度上升。因此，必须使电池的设置面盖在屋顶面上，做成双层屋顶结构。为确保这种太阳能电池室外工作的可靠性，用75块建材一体型太阳能电池做成屋面板模型房，试验证明，此房能经受令人担心的恶劣环境的吹刮，十分耐用且实用。今后将使其实用化，并开展将该产品用于太阳能空调系统和个人住宅用太阳光发电系统的应用研究。

瑞士研制成一种新型太阳能电池板，将它装在窗户上可以节省能源。这种被誉为“三明治式”的太阳能电池板是根据植物进行光合作用的原理研制成的。它的最大优点是除了能导电的特殊玻璃以外，其余皆取自普通材料，而且易于安装。这种特殊的玻璃好比三明治的两片面包，位于太阳能电池板的里外层。光通过以碘为主的电解质发生散射而达染色层。染色层能像植物中的叶绿素那样捕获光子。光子把染色层里的电子推入“三明治”的最下一层——二氧化钛半导体薄膜。这个厚度只有10微米而又透明的薄膜能捕获电荷，把电子送入二氧化锡导体层。这一层位于窗户里层玻璃板上。二氧化锡层指挥电子工作产生电流。

这种太阳能电池板能将照射到它上面的7.1%~7.9%的阳光转变为电能，其成本只是同样效果硅太阳能电池板的1/5到1/10。(www.chuimin.cn)

瑞士一位工程师还设计出一种可嵌在玻璃间的厚1/4英寸的光电板，效率极高，而造价却低，最终可藉玻璃窗发电发热。光电板为一块导电的氧化钛，外涂染料作为天线，染料分子一个个地传递电子。光又将染料分子的电子击出，将其传往氧化钛，形成电流。电流传至光电板另一面的氧化锡涂层，负电荷传至电解液中的中性碘分子，后者收集电子送回到氧化钛导电体中，过程周而复始。光电转换效率7%~12%。复合光电池效率较高，但也较贵，较适合特殊用途。氧化钛吸收光能效率高，是由于其表面粗糙。这种光电板每平方米面积可产生150瓦电力，寿命约5年。现由ASEABrown-Bover及Sandoz两家公司开发商业应用的光电板，不久可正式生产。

此外，还进行其他太阳能电池的研究，如美国研制的太阳能分子电池以及太阳能电池的特种材料等。

太阳能电池产业是全球增长最快的高技术产业之一，太阳能电池的发货量1975年大约只有2000千瓦，到1991年已增加到5.5万千瓦，年增长率超过15%。太阳能电池转换效率已提高到20%以上，在80年代发电成本已降低3/4，但要与电力网竞争还要再降低2/3，预计今后10年内可以办到。

太阳能光电池实用化推广已被许多工业发达国家所重视，其中瑞士的太阳光发电计划跃居世界第一，计划到2000年可设置5万千瓦太阳光发电系统，成为太阳光发电最多的国家。

随着人们对环保的关心和光电池制造技术的改进，日本的光电池已接近实用化，加上最近在应用技术方面的改进及日本政府补助和余电上网等优惠政策，居民住宅用太阳光发电的推广步伐将加快。如生产光电池的乎井技研公司最近开发成功住宅用光电池板的标准规格，使生产和安装价格大幅度下降。新规格为10平方厘米方形电池板6×8枚、5×8枚、8×9枚和5×9枚共4种，可适应所有的单位屋顶。由于便于大批量生产和安装简便，每瓦售价仅300日元，加上施工费总计才200万日元。高知县南国市保险代理商井口正俊，在住宅装上了并网式太阳光发电系统后，运行一个月来除满足全部自用电外，还向电网供电47.5千瓦时，井口对此十分满意，并正式向通产省大臣和资源能源厅长官建议，尽快采取有利于环保和节能的光电普及措施。

目前世界上最大的太阳能电池在美国佐治亚州本宁堡，它的面积为44515平方米，每天可供热水1800多吨，供6500人生活使用。这个太阳能电池是用太阳能加热空气的，它包括80个独立的太阳能膜板，分4行排列，每块膜板长61米，宽4.72米，另围以0.4572米高的水池墙，底部以8.89厘米高的水为储热流体。每块膜板上覆以高分子强化玻璃纤维制成的波状面盖，面盖的透射率达89%，可使水温升到60℃~70℃。

这个太阳能电池的优点是：在空气加热器中，不发生任何锈蚀；液体泄漏不像水加热器那样严重。

用与植物叶绿素相同的原理，将太阳光能吸收进行发电的氧化钛（TiO2）元件，一年后实用化的可能性相当大。这种光电元件光转换效率，100平方厘米模件达12%以上，1992年已达到15%。它不仅对直达日射有很好的发电效率，即使散乱光的发电效率也很高，工作温度范围-5℃~＋75℃，大量生产可降低成本。电池面积，目前是100平方厘米左右，不远的将来可扩大到数平方米。生产成本，如进入批量生产阶段，每1平方米面积电池为100~150美元，功率可提高到1千瓦级。这种光电转换元件，与一般的以硅等固体内的半导体理论为基础的元件不同，它是将TiO2作为感光材料的电解液式电池。

走近能源：超高效天然太阳能电池！

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