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NREL 研究人員分析了使用太陽能實(shí)現(xiàn)脫碳目標(biāo)的可能性，并提供了將 III-V 光伏商業(yè)化的創(chuàng)新方法。

近來太陽能技術(shù)有了長足的發(fā)展。最近的進(jìn)展包括超高效太陽能電池和商業(yè)鈣鈦礦光伏（PV）。隨著越來越多的實(shí)驗(yàn)性太陽能電池技術(shù)走向商業(yè)化，這一進(jìn)展將持續(xù)多年。


國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室 (NREL) 的研究人員正在提出創(chuàng)新的解決方案和分析，以推動(dòng)新技術(shù)的商業(yè)化并使向脫碳的轉(zhuǎn)變成為可能。

NREL 將循環(huán)經(jīng)濟(jì)用于光伏工具

在能源轉(zhuǎn)型時(shí)代，許多國家都宣布了他們的脫碳目標(biāo)。例如，美國希望到 2035 年實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)脫碳。這些目標(biāo)將導(dǎo)致每年大量部署太陽能電池板并增加材料使用量。這一趨勢意味著增長將需要擴(kuò)大光伏制造和安裝的規(guī)模。然而，分析師預(yù)測這種擴(kuò)大規(guī)模的材料短缺。

除了制造之外，還有一個(gè)與太陽能模塊的報(bào)廢管理相關(guān)的問題。解決這些問題的一種方法是建立循環(huán)經(jīng)濟(jì)，使供應(yīng)鏈更具彈性。這個(gè)想法涉及回收光伏材料并在整個(gè)經(jīng)濟(jì)中再循環(huán)，以最大限度地減少從礦石和垃圾填埋場中提取的材料。

在考慮這樣的經(jīng)濟(jì)時(shí)，回收似乎是主要的方法。然而，光伏有多種策略和技術(shù)設(shè)計(jì)，例如壽命延長、閉環(huán)回收和組件再制造。

NREL 的研究人員報(bào)告說，缺乏比較和評估不同循環(huán)策略的環(huán)境影響和制造要求的分析。他們在廣泛的“假設(shè)”情景中將它們與循環(huán)經(jīng)濟(jì)工具 (PV ICE) 中的 PV 進(jìn)行了比較。

研究人員考慮了 336 種不同的情景，結(jié)合了一系列模塊壽命和回收率，其中兩個(gè)代表了 50 年壽命太陽能模塊的上限和 15 年模塊的下限。他們將這些結(jié)果與假設(shè)模塊壽命為 35 年且回收率低的基線情景進(jìn)行了比較，這是考慮到當(dāng)前制造技術(shù)的現(xiàn)實(shí)模型。

研究人員發(fā)現(xiàn)，與基線情景相比，更長的模塊壽命可以將新材料的需求減少 3%。此外，他們建議低壽命模塊必須達(dá)到 95% 的回收率才能與基線情況相媲美。

對于這項(xiàng)分析，NREL 的光伏可靠性小組創(chuàng)建了一個(gè)名為 PV ICE 的開源工具，該工具利用光伏行業(yè)的最新數(shù)據(jù)來預(yù)測各種技術(shù)發(fā)展和市場趨勢的影響。

該工具由兩個(gè)主要部分組成。第一部分包括具有當(dāng)前光伏組件特性的數(shù)據(jù)文件，包括它們所包含的不同材料的數(shù)量、它們的預(yù)期壽命、它們的功率轉(zhuǎn)換效率等。另一部分模擬這些模塊、材料和它們的能量，以及它們在整個(gè)光伏生命周期中的表現(xiàn)。


NREL 研究人員進(jìn)行的分析旨在指導(dǎo)如何以最可持續(xù)的方式設(shè)計(jì)和部署太陽能電池，并預(yù)測材料在能源轉(zhuǎn)型時(shí)代的流動(dòng)方式。

NREL 論文概述 III-V 太陽能電池改進(jìn)

NREL 的研究人員最近發(fā)表了兩篇強(qiáng)調(diào) III-V太陽能電池改進(jìn)的論文。III-V 材料因其在元素周期表中的位置而得名。

這些太陽能電池有兩個(gè)帶隙，可調(diào)諧到不同波長的光。因此，這些材料響應(yīng)更廣的光譜，可以將更多的太陽能轉(zhuǎn)化為電能。III-V 太陽能電池在實(shí)驗(yàn)室的集中日光下顯示出超過 46% 的功率轉(zhuǎn)換效率。然而，這種效率是以增加復(fù)雜性和制造成本為代價(jià)的。因此，這些太陽能電池只對衛(wèi)星和地外漫游車是經(jīng)濟(jì)的。


有兩種生產(chǎn) III-V 太陽能電池的方法：氫化物氣相外延 (HVPE) 和有機(jī)金屬氣相外延 (OMVPE)，其中通過在反應(yīng)器頂部沉積或生長 III-V 材料蒸氣形成薄膜基質(zhì)。NREL 研究人員改進(jìn)了 HVPE 方法并開發(fā)了 D-HVPE，這是一種雙反應(yīng)室，可以使這些細(xì)胞更快、更便宜。

在發(fā)表在《光伏進(jìn)步》雜志上的一篇論文中，NREL 的五名研究人員使用 D-HVPE 開發(fā)了一種效率為 26% 的 III-V 太陽能電池。該電池由磷化鋁銦 (AlInP) 和砷化鎵 (GaAs) 材料組成。

由于一氯化鋁會在到達(dá)基材之前沉積在反應(yīng)器壁上，因此研究人員使用三氯化鋁來提高性能。

另一篇發(fā)表在Advanced Energy Materials 上的論文提出了另一種降低 III-V 太陽能電池成本的方法。當(dāng)前的制造工藝可以從 GaAs 基板上剝離電池，從而使基板可以重復(fù)使用。但是，它會留下表面殘留物，從而降低電池的性能。因此，基板必須定期進(jìn)行拋光。

NREL 和科羅拉多礦業(yè)學(xué)院的研究人員表示，通過制造不經(jīng)過拋光的新設(shè)備，可以延長重復(fù)使用的次數(shù)?，F(xiàn)有的將電池與基板分離的技術(shù)大約需要六到八個(gè)小時(shí)。另一方面，剝落層只需要幾秒鐘。


研究人員使用 OMVPE 工藝培育出單結(jié) III-V 太陽能電池，效率達(dá)到 23.8%。效率降低是因?yàn)閯兟鋾a(chǎn)生降低電池性能的缺陷。研究人員提到，通過使用 D-HVPE 工藝，可以減少缺陷。

原標(biāo)題：NREL 太陽能研究為能源轉(zhuǎn)型鋪平道路