李建生-2014无机盐会议报告.ppt

1,2014 年中国无机盐行业学术与技术交流大会 用于提高太阳能电池效率的 无机纳米材料简介 报告人:李建生(教授高级工程师) 所在单位：天津职业大学/天津顺御科技有限公司,2,内容,1.晶体硅太阳电池开发和应用现状 2.晶体硅太阳电池的技术和市场瓶颈 3.太阳电池无机纳米减反射材料 4.太阳电池无机纳米自清洁材料 5.太阳电池无机纳米紫外光转换材料 6.太阳电池无机纳米红外光转换材料 7.太阳电池无机微纳米正面电极材料,1.晶体硅太阳电池开发和应用现状（1/3）,太阳能光伏发电因其清洁、安全、便利和高效等特点，已成为世界各国大力发展的战略性新兴产业，硅太阳能电池占全球光伏发电市场约90%的份额。 中国大陆太阳能电池产量占全球产量的60%左右。2013 年中国太阳电池组件产量约 26GW，同比增长13%，连续7年位居世界首位。2013 年中国新增太阳能发电装机量超 12GW，累计装机量超 20GW。 目前单晶硅太阳能电池的实验室光电转换效率已经从20世纪50年代末的10%提高到目前的25%，多晶硅太阳能电池的实验室光电转换效率也达到20.4%。最高光电转换效率不断刷新，美国已达到40.2%，日本利用量子点太阳电池光电转换效率理论模拟值达到75%。,3,目前商业化的单晶硅太阳能电池光电转换效率达到19%，多晶硅太阳能电池光电转换效率达到17.5%。 世界各国推出了各种支持太阳能产业发展的战略计划和鼓励措施，例如，美国的“百万太阳能屋顶计划”，中国的“金太阳计划”，均已取得显著成效，应用领域不断拓展。 随着传统能源价格上涨和太阳能发电技术进步使发电成本的降低，预计10年后太阳能发电可摆脱政策性价格补贴实现平价上网，2030年太阳能发电将占世界能源供给的10%。,4,1.晶体硅太阳电池开发和应用现状（2/3）,5,太阳污水自净化,1.晶体硅太阳电池开发和应用现状（3/3）,2.晶体硅太阳电池的技术和市场瓶颈(1/2),6,目前太阳能发电成本仍是传统能源发电成本的3-8倍，太阳能发电成本决定着太阳能电池大规模应用推广的速度。降低太阳能发电成本的关键是提高太阳能电池的光电转换效率和制造成本。 影响晶体硅太阳能电池效率的主要因素是光学损失和电学损失两个方面。光学损失主要是光反射、光遮挡损失和电池材料本身的光谱效应特性。目前太阳能电池主要对太阳光中的可见光灵敏，紫外光和红外光照射使电池发热而降低光电效率，采用纳米光转换技术可成倍提高太阳能电池光电转换效率。电学损失主要是电极接触电阻产生的欧姆损失。 影响制造成本的主要因素是关键原材料成本过高和制造工艺技术复杂。,太阳能电池效率受使用环境影响大，在沙尘和有机污染污存在下，效率降低10%-40%，维护管理成本较高。 大幅提高光电转换效率的技术难度极大，短期内难有革命性的改进措施，许多改进措施缺乏经济性，企业只能从点滴技术改进积累来提高光电转换效率。 太阳电池市场和原材料两头在外局面仍然未能根本改变，一遇到西方国家的“双反”就使大批生产企业停产倒闭,而许多高附加值材料长期依赖进口，严重影响生产成本降低，需要无机盐行业的支持和协同创新。例如，太阳能电池电极银浆成本占组件成本的17%，几乎完全依赖进口。,2.晶体硅太阳电池的技术和市场瓶颈(2/2),3.太阳电池无机纳米减反射材料,晶体硅太阳电池组件一般由涂减反射膜的玻璃盖板、电池硅片和电池背板粘压起来，装入固定边框构成。太阳能电池玻璃的单面反射率约4%，在其表面涂覆纳米减反射膜，可提升晶体硅光伏组件功率3%左右。 减反射膜原理：当减反射膜厚度为入射光波长1/4时，其二个界面上的光反射可以互相抵消，从而实现入射光增透。 有产业化前景的纳米减反射材料是纳米SiO2、TiO2、MgF、Al2O3、ZrO2、稀土氧化物的水溶胶，涂覆在太阳能玻璃表面，经180左右烘干固化，650 左右钢化烧结在玻璃表面。 商业化无机纳米减反射镀膜液是纳米SiO2水溶胶，但技术含量很高，不仅要求使镀膜玻璃具有高增透率，而且要求耐候性，可服务25年以上。 项目组在国家863计划项目和天津市科技计划项目资助下实现了纳米减反射镀膜液产业化，但镀膜液的稳定性和耐候性方面与进口产品相比仍有一定差距，主要是市场上可供选择的纳米SiO2型号太少，原材料开发分散了过多精力。,8,9,4.太阳电池无机纳米自清洁材料,太阳电池使用中玻璃盖板逐渐为灰尘或工业污染物覆盖降低了透光率,使电池效率下降10%40% , 玻璃表面污染物频繁机械和人工清洁成本很高，且易损伤电池。 太阳电池玻璃表面防污原理：从机理上可分为超级亲水防污、超级疏水防污、静电排斥防污和复合作用防污。 有产业化前景的纳米自清洁材料是掺杂的纳米TiO2或Bi2O3水溶胶，将其与纳米SiO2复合涂覆在太阳电池玻璃表面，在700 左右钢化烧结在玻璃表面。 由于纳米TiO2反射率高，使太阳电池镀膜玻璃减反射和自清洁功能相互抵消，难以商业应用。项目组开发了纳米氧化铋自清洁材料，在可见光照射下可分解有机物，与纳米SiO2复合制备了可涂覆自清洁减反射双功能镀膜液，避免了纳米材料高温活化时的凝聚烧结,简化了制备和应用工艺。,10,5.太阳电池无机纳米紫外光转换材料,影响太阳电池的光电转换效率的原因之一是太阳电池对太阳光中紫外光响应很差。 无机荧光材料可以吸收紫外光发射可见光，可实现光波长转换，称为下转换发光。含稀土铕（Eu3+）或铽(Tb3+) 的材料在玻璃的钢化温度下处理后就能吸收紫外光产生荧光。 国外公司在太阳电池封装用EVA膜或背板中添加丙烯酸树脂包裹的紫外光转换材料，可提高光电转换效率2.2%。因为紫外光易为玻璃所吸收，能入射到光转换膜的紫外光很少，其商业化应用时光转换产生的效果降低。 项目组将稀土光转换材料添加到太阳电池玻璃镀膜液中制备了自清洁减反射光转换多功能涂料，将太阳光谱中近紫外光转换为可见光，提高太阳电池光电转换效率2.5%-5.0%，该项目开发获得了天津市科委专项资金支持。,将占太阳光总能量50%的红外光转换利用，是提高太阳电池光电转换效率的最终目标，研究发现稀土铒（Er3+）镱（Yb3+）掺杂的NaYF4和NaGdF4等材料，可吸收二个近红外光子，发射一个可见光子，并具有较好的上转换发光效率，为开发宽光谱太阳电池奠定了基础。 纳米上转换发光材料很多,但最高光转换效率仅百分之几，目前还处于实验室研究阶段，需要筛选新型无机纳米上转换材料提高光电转换效率。 项目组将掺杂的氟化稀土上转换发光材料加入太阳电池玻璃减反射涂料中，在太阳电池玻璃上涂覆形成纳米光转换减反射膜，利用玻璃高温钢化条件激活光转换功能，解决了纳米光转换材料制备困难和应用工艺复杂的问题。,11,宽光谱太阳电池,上转换发光原理,涂覆光转换膜,6.太阳电池无机纳米红外光转换材料,7.太阳电池无机纳米正面电极材料(1/2),在光照的条件下太阳能电池产生电流，通过栅线和电极将电收集起来并传输出去。电极是将铝浆丝网印刷在硅片背面，将银浆印在硅片正反面烧结制成的。 太阳能电池正面银浆主要由银粉、玻璃粉粘合剂、有机载体和添加剂四部分组成，银粉作为导电介质占银浆质量的75%，决定银浆的电性能。由于原料银粉成本较高，部分采用纳米银粉，可以减少银粉用量和降低成本。采用纳米玻璃粉可降低银电极与硅片接触电阻。 正面银浆比背面银浆技术要求高：1）要求能够穿透减反射膜；2）要求高宽比大,高导电性能；3）要求高的线分辨率,光遮挡小；4）要求有良好的焊接性能,目前还没有国产正面银浆。 开发无铅导电银浆所需的无机纳米材料包括纳米Ag、Cu、Ni、Bi2O3、ZnO、SnO2、IrO2、TiO2、B2O3、SiO2等，国内研究停留在实验室阶段，需要加快产业化开发进度。,项目组开发了低成本的包银铜粉和导电浆料专利技术，以纳米铜为核、银为壳、中间层为铜-锡-银合金的球形微细金属粉为导电组分，其导电性能与高纯银粉浆料相当。 本发明银包铜粉由乙醛酸或乙二醛为还原剂在碱性条件下，分步还原硫酸铜、硫酸亚锡和硝酸银溶液制得。其银层包覆结构完整致密，抗氧化性良好。当银包铜粉中银的质量百分比达到30%时，在700-800烧结温度下和20分钟烧结时间下几乎无氧化增重现象。 围绕本核心发明专利,还