（真空镀膜机手套箱）串联、超薄太阳能：还要从太空获取能量

互推小编 2023-07-19

串联太阳能

电池效率再破纪录

当前，晶体硅太阳能电池主导着全球光伏市场，但其组件效率仅约为20-22%。因此，太阳能领域需要创新的材料和方法来产生更高的效率，才能支持全球可再生能源的目标。

近日，KAUST光伏实验室的研究人员开发的钙钛矿/硅串联太阳能电池，该电池被公认为世界上效率最高的硅/钙钛矿串联太阳能电池，PCE为33.2%。结合硅和钙钛矿亚电池的串联太阳能电池，被广泛认为是一种有前途的、高性能的、可行的传统晶体太阳能电池替代品，而阿卜杜拉国王科技大学正在引领这一潮流。这是迄今为止世界上最高的串联装置效率，超过了柏林亥姆霍兹中心32.5%的PCE纪录。现在，该串联装置已经获得了欧洲太阳能测试装置的认证，并在国家可再生能源实验室的最佳研究电池效率图表中名列前茅。

（文章内容来源于网络）

该团队自2016年以来一直在稳步完善钙钛矿/硅串联电池的概念 —— 开发新的材料、方法和器件结构，并解决基本挑战，例如，如何用钙钛矿材料均匀覆盖硅电池的微米级金字塔表面。由此产生的串联太阳能电池，可以将钙钛矿顶部电池与工业兼容的双面纹理硅底部电池结合在一起。钙钛矿顶层吸收蓝光效果最好，而硅基层吸收红光效果最好。这些材料的组合比传统的单结硅类似物更有效地最大限度地捕获阳光并将其转化为电能。

这一创新是太阳能领域的重大突破，目前市场预测，到2032年，钙钛矿/硅串联技术将占全球光伏市场份额超过100亿美元。

化学超薄材料

太阳能电池效率翻倍

太阳能技术使用太阳能电池将阳光转化为电能或可储存的燃料，在一个超越化石燃料满足其能源需求的世界中，太阳能技术正在获得动力。现在深蓝色太阳能电池板通常由硅制成，硅是一种经过充分测试的半导体材料。然而，硅光伏技术有其局限性，它以热废物的形式损失了高达40%的太阳光能量。科罗拉多州立大学的研究人员正在研究改善太阳能的激进新方法，并为该行业提供更多选择。

科罗拉多州立大学的化学家提议制造太阳能电池，而不是硅，而是一种丰富的天然材料，称为二硫化钼。利用光电化学和光谱技术的创造性组合，研究人员进行了一系列实验，表明极薄的二硫化钼薄膜显示出前所未有的电荷载流子特性，有朝一日可以大大改善太阳能技术。

实验室对硫化钼作为一种可能的替代太阳能材料产生了兴趣，基于其光吸收能力的初步数据，即使只有三个原子厚。实验室包含一个最先进的超快泵浦探针瞬态吸收光谱仪，可以非常精确地测量单个电子在被激光脉冲激发时的顺序能量状态。使用这种特殊仪器的实验可以提供电荷如何在系统中流动的快照。

他们使用硫化钼的单个原子层创造了一个光电化学电池，她和法拉赫使用泵浦探针激光器来跟踪电子在材料中移动时的冷却。他们发现的是惊人的高效光到能量转换。更重要的是，激光光谱实验使他们能够证明为什么这种有效的转换是可能的。他们发现这种材料非常擅长将光转化为能量，因为它的晶体结构允许它提取和利用所谓的热载流子的能量，这些载流子是高能电子，当被足够的可见光击中时，它们会从基态短暂激发。他们的光电化学电池中，来自这些热载流子的能量立即转化为光电流，而不是作为热量损失。这种热载流子提取现象在传统的硅太阳能电池中是不存在的。

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中国太空发电站

把太阳能变成电能

去年，中国空间技术研究院公布了一项震惊世界的计划，我国预计在2035年之前建造成世界上首个太空太阳能发电站，设计发电功率200兆瓦，重量200吨，轨道位于地面以上36000公里的高空，耗资千亿人民币以上！其实这项计划的第一阶段早在2018年就已经开始实施，并已经在重庆建立了太空发电站实验室，目前该项目正式进入第二阶段。

目前在地球上我们感觉太阳能的利用率并不是很高，原因是60%的太阳光被地球的大气层吸收或者散射，再加上雨雪雾等天气的影响，实际的太阳光利用率不到20%，而且太阳能设备还要受到昼夜交替以及四季变化的影响，这些因素导致了太阳能发电在全球的能源结构中只占了很小的一个比重。然而如果在太空中，这些问题都是不存在的，在真空中没有了大气层和尘埃的干扰，太阳光的利用率可以达到99%，而且太空发电站可以自动调整太阳能电池板的朝向，24小时不间断接收阳光照射。

根据估算，在距离地面36000公里的太空中，1平米的太阳能电池板可接受的太阳光的功率大概为1300瓦，如果在太空中放置一块边长为1千米的正方形太阳能电池板，那么这块电池板一年吸收的能量可达4X10^16焦耳，这个能量究竟有多大呢？我们来对比一下全球的石油资源，目前全球剩余可开采石油储量为2300亿吨，1吨石油蕴含的能量为30万焦耳，那么全球的石油蕴含的能量我们可以计算出来大概为6.9X10^16焦耳~而1千米的太阳能电池板一年吸收的能量几乎相当于全球的石油资源蕴含的能量，即便我们以最低的光电转化效率10%来计算，这些能量只有10%转化成电能被人类利用的情况下，也只需运行10余年就能够顶上全球的石油资源~

然而，技术虽然诱人，却依然存在很多需要客服的难题：

首先就是电能传输的问题，毕竟不可能在太空中扯跟电线直接通到地面上，这就需要借助无线输电的技术！实际上无线输电技术目前已经开始了小范围的应用，比如我们的手机，现在已经有了无线充电器，只不过这种充电方式利用的是电磁耦合原理，只能适用于1米以内的近距离输电，如果要实现远距离的无线输电，就需要把电能转化为微波，然后通过超大型的微波发射器，定向传回地面的接收站，然后再转化为电能，整个过程就是：光能—电能—微波—电能

第二就是微波传输过程中造成环境干扰的问题：在微波传输给地面的过程中，由于微波的频率非常高，必然会伴随着辐射的产生，这对人体健康会造成怎样的影响，对生态平衡会造成怎样的影响，以及对日常通讯信号会造成怎样的影响，都是亟待科学考察的内容，这也是我们2035年这个太空发电站需要研究的一项重要内容。

最后就是太空发电站的建造问题：如果要达到5000兆瓦的发电功率，整个发电站的重量可能要达到4000多吨，体积会是目前空间站的几十倍，这么庞大的一个工程显然靠火箭一点点地运送上去不太现实，只能从两方面着手来解决这个问题：一方面是通过航天飞机，往返于天地之间进行材料的运输，降低运输成本，另一方面通过高度集成的系统、使用光电转化率更高的材料、更轻便的太阳能板，来减小发电站的重量和体积。

太阳能核心技术

不只体积，还有真空镀膜

镀膜核心设备包括镀膜、涂布和激光设备。钙钛矿太阳能电池产业还处于 0-1 阶段，其技术路线和材料选择均未定型，从技术路线选择层面来看，以反式结构为例，空穴传输层制备主要技术路线为 PVD（包括磁控溅射和蒸镀）；电子传输层主要技术路线包括PVD磁控溅射、RPD、ALD；电极主要技术路线为PVD（包括磁控溅射和蒸镀）；钙钛矿层可供选择的主流工艺路线包括狭缝涂布和真空蒸镀，目前狭缝涂布为较主流的技术路线。钙钛矿太阳能组件生产过程中的核心设备包括镀膜设备（PVD、RPD、ALD）、涂布设备和激光设备，其他设备包括前道清洗设备、封装设备等。

在太阳能电池的生产中，镀膜、刻蚀、封装是三大核心工艺环节：

镀膜：钙钛矿的制备工艺与其他薄膜电池类似，需要通过溶液涂布法、溶液喷涂法、气相沉积法等方式，制备高纯度、缺陷少、高覆盖率、致密的钙钛矿层薄膜与传输薄膜，以改善不同层结构之间的电学接触，减少传输过程中的损耗，实现高的电池转换效率。

刻蚀：通过多道激光刻蚀，可以构建钙钛矿电池中的电路结构，把多个钙钛矿电池串联成组件。

封装：目前的封装技术采用了类似晶硅的技术，主要是替换掉原本晶硅用的EVA胶膜，因为EVA是聚醋酸乙烯酯，它的聚合不可能100%完成，里面一定会存在醋酸的残基，而醋酸会跟胺类反应成氨基酸，所以从原理上EVA不可用在钙钛矿，钙钛矿主要用POE材料。

（文章内容来源于网络）

无论是哪种太阳能，都离不开表面镀膜：目前所有的技术方法，都不能很好的解决镀膜膜层均匀性的问题。喷涂法镀膜过程中，喷中心镀膜液富集多，造成花斑；表面刻蚀法因压花玻璃表面成分难以均一，导致刻蚀反应的速度不一致造成膜厚不均匀；即使均匀性辊涂法，受制于玻璃厚薄差、辊道传输抖动等多种因素的制约，也难以达到高精度的一致性。在镀膜均匀性无法进一步提高的情况下，其结果一方面造成组件的色差影响外观，另一方面由于镀膜玻璃各区域透光率不一致造成热斑效应，影响组件的耐久性。

针对这一问题，在制备太阳能电池时，一般是需要使用真空镀膜手套箱的：由真空镀膜系统和真空手套箱系统集成而成，可在高真空蒸镀腔室中完成薄膜蒸镀，并在手套箱高纯惰性气体氛围下进行样品的存放、制备以及蒸镀后样品的检测。在手套箱氮气环境里里旋涂钙钛矿前驱液，避免接触水和空气，可以直接通过连接藏舱将制备好的钙钛矿电池传到蒸发舱里，蒸发电极，全程实验都可以做到无水无氧的环境下操作。

方腔室自动门热蒸发镀膜机嵌入手套箱内，配套膜厚仪，分子泵，机械泵，4个蒸发源，合理的蒸发源布局，保证每个蒸发源到基片的距离完全一样，提高了成膜质量和均匀性；整套系统由真空镀膜系统和手套箱系统集成而成，可在高真空蒸镀腔室中完成薄膜蒸镀，并在手套箱高纯惰性气体氛围下进行样品的存放、制备以及蒸镀后样品的检测。主要用于太阳能电池钙钛矿、OLED和PLED、半导体制备等实验研究与应用。