钨钼稀土在新能源电池领域的应用与市场研究（十一）
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- 分类：钨业新闻
- 发布于 2024年1月18日 星期四 10:34
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第Ⅱ部分 钨在新能源电池市场的介绍
第十一章 钨在太阳能电池中的应用
钨作为一种具有优异性能的材料，在太阳能电池制造中有着广泛的应用。据中钨在线了解，光伏用钨丝是这几年在太阳能电池领域的应用中较火的一种产品，它不仅能有效提高电池的光电转化效率，还能降低光伏硅片的损耗。
除了钨丝能应用于太阳能电池中外，钨薄膜、氧化钨、二硫化钨、二硒化钨、钨酸盐（如钨酸镉）、钨基合金等钨产品也能很好应用于太阳能电池中。其中，钨薄膜具有高透过率、高反射率和良好的导电性能等特点，能够有效地提高太阳能电池的光吸收效率和光电转换效率。钨基合金具有高强度、高熔点和高耐腐蚀性等特点，能够在恶劣环境下保持稳定的性能，因此被用作太阳能电池边框和连接材料。
太阳能电池，也称为光伏电池，是一种能够直接将太阳能转换成电能的装置，是由半导体材料制成的，其核心是将太阳光的能量转换为电能。它的输出功率取决于其制造材料、工艺和环境条件。
太阳能电池的工作原理基于光伏效应，即当太阳光照射在半导体材料上时，光子的能量会激发电子从价带跃迁到导带，从而产生电子-空穴对。电子和空穴分别被半导体材料的负极和正极收集，形成电流。具体来说，太阳光照射在太阳能电池上时，光子的能量大于或等于半导体材料的禁带宽度时，电子从价带跃迁到导带，产生电子-空穴对。电子和空穴分别被半导体材料的负极和正极收集，形成电流。此电流就是我们通常所说的“光伏电流”。
太阳能电池的优点：（1）可再生能源：太阳能是一种可再生能源，使用太阳能电池可以减少对化石燃料的依赖，降低环境污染。（2）无噪音：太阳能电池工作时没有机械运动，不会产生噪音，对周围环境无影响。（3）寿命长：太阳能电池的寿命一般在20年以上，使用中不需要特别的维护，节省了维修费用。（4）节能环保：生产太阳能电池的过程不需要燃烧燃料，不排放污染物，符合环保要求。（5）适用范围广：除了大规模并网发电外，太阳能电池还可以用于太阳能路灯、光伏电站、太阳能热水器等领域。
太阳能电池的缺点：（1）受天气影响：太阳能电池的发电量受天气影响较大，阴雨天或冬季阳光不足时发电量会明显降低。（2）占地面积大：为了获得足够的电量，需要大面积安装太阳能电池板，占地面积较大。（3）成本高：目前太阳能电池的成本仍较高，尤其是高效能晶体硅电池。（4）能量密度低：相对于其他能源形式，太阳能的能量密度较低，需要较大的面积才能获得足够的能量。（5）需要倾斜安装：为了更好地接收太阳光，太阳能电池需要安装在倾斜的支架上，增加了安装难度和成本。（6）储能困难：由于太阳能的不稳定性和间歇性，储能技术尚不成熟，难以实现稳定供电。
太阳能电池的应用领域：（1）并网发电：将太阳能电池与电网相连，将产生的电能直接输送到电网中供用户使用。这是目前应用最广泛的领域。（2）独立发电：在没有电网供电的地区或特殊场合（如卫星、远洋平台等），使用太阳能电池进行发电，为用户提供电能。（3）光伏电站：将大量太阳能电池板集中安装在一个地方，形成光伏电站，用于大规模并网发电。（4）分布式能源系统：将太阳能电池与储能设备相结合，形成分布式能源系统，在电力需求高峰时释放存储的能量供用户使用。（5）通讯设施：太阳能电池可以为通讯设施提供电力，如卫星、气象观测站、远程无线通讯设备等。（6）农业应用：太阳能电池在农业领域也有广泛应用，如太阳能灌溉系统、太阳能温室、太阳能杀虫灯等，为农业提供可持续发展的解决方案。（7）环保与城市景观：太阳能电池还可以用于环保和城市景观建设，如太阳能路灯、太阳能公园座椅、太阳能垃圾处理设施等，既满足城市基础设施建设需求，又实现节能环保的目的。（8）能源储存：结合储能技术，太阳能电池可以将白天收集的能量储存起来，用于夜间或阴雨天的电力供应，保证能源的持续稳定供应。
随着全球气候变化和能源危机的加剧，可再生能源的开发和利用越来越受到重视。太阳能电池作为一种重要的可再生能源技术，在全球范围内得到了广泛的应用和发展。目前，光伏发电已成为全球增长速度最快的能源行业之一。中国的太阳能电池产业在全球市场中占据重要地位，国内光伏发电装机容量持续增长，技术水平不断提高，成本逐渐降低。同时，各国政府也纷纷出台相关政策，鼓励和支持太阳能电池的应用和研发。
未来，随着技术的进步和成本的降低，太阳能电池的应用前景将更加广阔。一方面，光伏发电的效率和可靠性将得到进一步提升，能够更好地满足不同领域和场景的能源需求；另一方面，太阳能电池的储能技术将得到改进和完善，能够实现更长时间和更大规模的能源储存，提高能源利用效率和稳定性。此外，随着智能电网和物联网技术的发展，太阳能电池将与各种能源形式相互补充，形成多元化的能源供应体系，为全球能源结构的优化和可持续发展做出更大的贡献。
11.1 氧化钨在太阳能电池中的应用
氧化钨（WOx）是一种无机化合物，是一种宽带隙半导体材料，具有直接带隙，这意味着它能够高效地将吸收的光能转化为电能。此外，氧化钨还具有良好的化学稳定性和热稳定性，使其能够在恶劣的环境条件下保持性能。
在太阳能电池中，氧化钨的应用优势主要体现在以下几个方面：
（1）高光吸收系数：氧化钨对可见光和近红外光具有高吸收系数，这意味着它可以有效地吸收太阳光，并将其转换为电能。
（2）宽带隙：氧化钨的宽带隙使得它能够在高温条件下工作，并且能够有效防止光致衰退，从而提高太阳能电池的稳定性。
（3）透明导电性：氧化钨具有较高的光学透过率和良好的导电性能，使得它可以用作窗口层材料，既能够让太阳光透过，又能够收集电流。
（4）化学稳定性：氧化钨不易受环境中的水分、氧气和其他化学物质的影响，使其成为一种非常稳定的材料，能够在各种环境条件下保持性能。
（5）低制造成本：与传统的硅基太阳能电池相比，使用氧化钨作为光吸收层的太阳能电池可以采用溶液法等方法制备，成本较低。
总之，氧化钨在太阳能电池中具有广泛的应用前景。随着技术的不断进步和研究的深入开展，相信氧化钨会在未来的太阳能电池领域发挥更加重要的作用。
11.1.1 太阳能电池正面银浆用三氧化钨
11.1.2 太阳能电池用氧化钨薄膜
11.1.3 太阳能电池用氧化钨的挑战
11.2 二硫化钨在太阳能电池中的应用
11.2.1 太阳能电池光活性层用二硫化钨
太阳能电池的光活性层是直接参与光电转换的区域，其作用是将太阳光转化为电能。光活性层通常位于太阳能电池的顶部，能够吸收太阳光并产生光生载流子（电子和空穴）。这些载流子随后被收集并传输到电极，形成电流。
来自日本东北大学的一组研究团队利用氧化铟锡（ITO）作为透明电极和二硫化钨（WS2）作为光活性层创造了一种近乎看不见的太阳能电池板。
WS2是过渡金属二氯化物（TMD）材料家族的一员，科学家们声称，由于其在可见光范围内可接受的带隙和单位厚度上最大的吸收共效率，它是近乎看不见的太阳能电池的最佳选择。据《光伏杂志》报道，ITO-WS2的连接是通过将ITO溅射到石英衬底上，并使用化学气相沉积（CVD）技术生长WS2单层而形成的。
通过在ITO（Mx/ITO）上面涂抹各种薄金属并在Mx/ITO和单层二硫化钨之间引入一层薄的WO3，调整了WS2和ITO之间的接触屏障。结果，肖特基势垒高度急剧增加（高达220 meV），有可能提高肖特基型太阳能电池中电荷载流子分离的效率。
研究人员发现，采用优化电极（WO3/Mx/ITO）的太阳能电池的电力转换效率比采用普通ITO电极的装置高出1000多倍。研究人员计算出，一个具有极高的平均可见光透射值（79%）的1cm²太阳能电池，通过在这个具有适量串联和并联的优化单元装置上重复实验，其总功率可能提高到420pW。
此外，二硫化钨作为光活性层材料在太阳能电池中还具有许多优点：（1）高光电转换效率：WS2具有直接带隙，能够高效地将吸收的光能转化为电能。其宽带隙特性使其在可见光和近红外光范围内具有高吸收系数，从而提高太阳能电池的光电转换效率。（2）稳定性：WS2具有良好的化学稳定性和热稳定性，能够在各种环境条件下保持性能。它不易受空气中的水分、氧气和其他化学物质的影响，能够在长时间内保持性能的稳定性。（3）高光学透过率：WS2具有高光学透过率，允许太阳光有效地穿透光活性层并被吸收。这有助于提高太阳能电池的光吸收能力，从而提高光电转换效率。（4）可调带隙：通过改变WS2的合成条件，可以调整其带隙，从而优化太阳能电池的光电转换效率。这种可调性使得WS2成为一种灵活的材料，可以应用于不同类型和结构的太阳能电池。
总之，二硫化钨作为太阳能电池的光活性层材料具有许多优点，包括高光电转换效率、稳定性、高光学透过率、可调带隙、低成本以及与其他材料的兼容性。这些优点使得WS2成为一种有前途的光活性层材料，有助于推动太阳能电池技术的进一步发展。
为了实现二硫化钨在太阳能电池中的最佳应用，还需要对其光活性层的设计和制备工艺进行深入研究。例如，优化WS2的晶体结构和形貌可以提高其光电性能；探索与其他材料的复合方式可以进一步增强光活性层的性能。此外，对WS2在太阳能电池中的长期稳定性和耐候性也需要进行评估和改进。
随着技术的不断进步和研究的深入开展，相信二硫化钨作为光活性层材料在太阳能电池领域的应用将得到进一步拓展。这有望为太阳能电池技术的发展带来新的突破，促进清洁能源的广泛应用和可持续发展。
11.2.2 太阳能电池空穴传输层用二硫化钨纳米膜
11.2.3 太阳能电池用二硫化的挑战
11.3 二硒化钨在太阳能电池中的应用
11.3.1太阳能电池导电层用二硒化钨
太阳能电池是一种利用光能转换为电能的装置，其工作原理主要是通过光生电效应将太阳光转化为直流电。在太阳能电池中，导电层是一个非常重要的组成部分，它主要起到传输电流的作用。
导电层的作用是将电池内部的光生电流传输到外部电路中，以供使用。同时，导电层还需要能够有效地反射太阳光，以减少光的吸收损失，从而提高电池的光电转换效率。
为了满足这些要求，导电层的材料需要具备高导电性和良好的光学性能。常用的导电层材料包括金属导体（如金、银、铜等）、本征半导体（如硅、锗等）以及掺杂的半导体（如n型和p型硅）。这些材料在导电性能和光学性能方面各有优缺点。
以金属导体为例，它具有高导电性，但反射性能相对较差，容易吸收太阳光。而半导体材料虽然反射性能较好，但其导电性能相对较低。因此，在实际应用中，需要根据具体需求选择合适的导电层材料。
当二硒化钨作为导电层时，它表现出一些独特的优点。首先，WSe2具有较高的导电性能，能够有效地传输电流。其次，WSe2的反射性能较好，可以减少光的吸收损失，从而提高电池的光电转换效率。此外，WSe2还具有较好的化学稳定性和热稳定性，能够在各种环境条件下保持稳定的性能。
与传统材料相比，二硒化钨作为导电层可以弥补其一些不足。例如，相对于金属导体，WSe2的反射性能更好，可以减少光的吸收损失；相对于半导体材料，WSe2的导电性能更高，能够更好地传输电流。此外，WSe2还具有较好的机械强度和韧性，可以在制造过程中实现更好的加工性能和稳定性。
四川大学王泽高等研究者（专利文档序号30756717）提出了一种以二硒化钨为导电层的栅极调控太阳能电池，所提供的二硒化钨太阳能电池极具成为柔性太阳能电池的潜力，相较于现有的太阳能电池，具有更长的寿命、更高的稳定性；比现有二硒化钨太阳能电池操作更简便、成本更低，具有更高的研发性价比。
四川大学研究者制作的二硒化钨太阳能电池包括基底材料、二硒化钨、顶栅介质材料、顶栅电极、源电极和漏电极，WSe2导电层位于基底材料表面，源电极和漏电极位于WSe2两端；该太阳能电池还包括顶栅介质材料和顶栅电极，顶栅介质材料位于WSe2上方并覆盖二硒化钨、源电极和漏电极，顶栅电极位于顶栅介质材料上方作为顶部。
四川大学研究者采用的技术手段是，对现有的局部栅极控制的二硒化钨太阳能电池，采用具有厚度差的栅介质层和透明顶栅电极，以取代含沟道的局部栅极。恰当地选择栅压的方向和大小，能使同一块WSe2产生不同类型的掺杂，形成p-n结。所以，采用的含厚度差的栅介质层将起到绝缘和同时产生不同类型掺杂的双重作用；采用的顶栅介质材料为透明六方氮化硼，顶栅电极为透明石墨烯，使得顶栅电极和顶栅介质材料尽可能小地对光照射造成阻碍，增加WSe2导电层对光的吸收量。
四川大学研究者制作的二硒化钨太阳能电池的操作比现在有的二硒化钨太阳能电池的操作更简便，生产成本更低，这主要是由于沟道的制作不需要用到光刻机进行光刻。
11.3.2太阳能电池用二硒化钨的挑战
11.4 钨酸镉在太阳能电池中的应用
11.4.1 太阳能电池用钨酸镉
11.4.2 太阳能电池用钨酸镉的挑战
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