「在任何地方都能发电」,圆柱型染料敏化太阳能电池

「在任何地方都能发电」,圆柱型染料敏化太阳能电池(上)

自2012年日本实施太阳能发电固定价格收购制度以来,日本的太阳能电池导入量大幅增加。以前太阳能电池主要是在住宅的房顶上设置,而最近以百万瓦级光伏电站为代表,在大面积的平地等设置太阳能电池的事例越来越多。虽然太阳能电池的设置方式发生了变化,但也有没变的地方。比如,太阳能电池依然是平板型。

把太阳能电池的形状变成圆柱形,提高太阳能电池设置自由度,这是研发染料敏化太阳能电池的九州工业大学研究生院生命体工学研究科教授早濑修二提出来的。这种电池可以垂直设置,能合理利用空间。记者就圆柱型染料敏化太阳能电池的优点和研究目的,采访了早濑。

九州工业大学研究所生命体工学研究科长、教授早濑修二

九州工业大学研究所生命体工学研究科长、教授早濑修二

圆柱型染料敏化太阳能电池的构造(图:九州工业大学)

圆柱型染料敏化太阳能电池的构造(图:九州工业大学)

 

——染料敏化太阳能电池的研发目的是什么?

早濑:从今后的供电情况来看,需要增加可再生能源、尤其是太阳能电池的使用。采用硅(Si)等无机半导体的太阳能电池需要在高温下进行结晶生长,要使用真空装置等,因此制造成本必然会升高。这样就很难在所有的地方都普及太阳能电池。要想实现普及,需要成本更低,而且转换效率高的太阳能电池。

我研究的染料敏化太阳能电池的特点是,能用涂布工艺制造,可以降低制造成本。材料成本也很有可能降低,而且有望实现高转换效率。

——您的研发小组研究圆柱型染料敏化太阳能电池,在形状方面很有特点。

早濑:我的研发小组有两个研究方针。一是研发新材料,提高染料敏化太阳能电池的转换效率。二是探索使用染料敏化太阳能电池的最佳形状。圆柱型染料敏化太阳能电池是在第二个研究方针下开发出来的。

为扩大染料敏化太阳能电池的应用,我的着眼点是太阳能电池单元的封装构造。利用涂布工艺以较低温度制造染料敏化太阳能电池虽然有望降低制造成本,但材料的稳定性还有问题。由于是用涂布法制造,要先把材料溶到液体中。涂布这种材料制成的膜对水和氧的耐性往往较弱,会导致染料敏化太阳能电池的性能劣化。因此,防止水和氧进入太阳能电池单元内的封装非常重要。

虽然有好几种封装方法,但如果采用以往的对策,染料敏化太阳能电池的制造成本就会随之上升,这是个难点。作为方法简单而且能以低成本防止水和氧进入的方法,我开发出了圆柱型染料敏化太阳能电池。

——圆柱型的平面只有圆柱的两端。与常用的平板型相比,太阳能电池单元的平面面积确实减小了。能减少水和氧从平面进入太阳能电池单元内的源头,所以才不容易劣化。
早濑:制成圆柱型的重点是采用玻璃管。因为只用塑料封装的话,成本会升高。

考虑封装方法时很大程度上参考了荧光灯。荧光灯利用玻璃管和金属等材料,用很低的成本实现了内部密封。而且,荧光灯是大量生产的。可谓是作为染料敏化太阳能电池参考的不二之选。

2013年,我们在牛尾电机的协助下,成功实现了圆柱型单元构造的密封注)。我们开发的圆柱型染料敏化太阳能电池目前正在实施现场试验。设置在实验农场的温室内,作为传感器电源使用。圆柱型染料敏化太阳能电池长1m,竖着设置在温室内使用。太阳能电池单元每个长20cm左右,竖着连在一起形成了1m的长度。

注)该成果是在日本科学技术振兴机构(JST)“以有机材料为基础的新电子技术开发”的研究课题中,作为“以灵活的浮动电极为核心技术的新太阳能电池领域开拓”中的一环实现的。

——转换效率有多少?

早濑:还只有6%左右。光看数字觉得非常低吧。不过,从一天的总发电量来看,圆柱型的特点会起到作用。

圆柱型的优点是,发电量几乎不会随着光的入射角度而变动。从日出到日落,太阳一天的位置变化很大,因此阳光到达地上的角度也会变化。普通的平板型太阳能电池的转换效率会随着阳光的入射角度而大幅变动。平面型针对垂直方向光线的发电量比圆柱型高,但随着阳光的入射角度偏离垂直方向,发电量会大大降低,最终低于圆柱型。所以,从一天的总发电量来看,圆柱型要高于平面型。在9月份,估计圆柱型电池一天的总发电量是平板型的1.3倍。

上面说的圆柱型与平板型的比较是以太阳能电池水平设置这种普通的设置方法为前提。最近还出现了把太阳能电池设置在墙壁等垂直面上的例子。在垂直面上设置太阳能电池时,圆柱型与平板型一天的总发电量之差会扩大。在9月份,估计圆柱型一天的总发电量是平板型的2倍。

「在任何地方都能發電」,圓柱型染料敏化太陽能電池(下)

九州工业大学研究所生命体工学研究科教授早濑修二的目标是让所有地方都能设置太阳能电池,为此推进了圆柱型染料敏化太阳能电池的开发。早濑的研发小组在牛尾电机的协助下开发的圆柱型染料敏化太阳能电池目前正在农场作为感测器电源进行验证实验。本篇将介绍该电池在农场进行验证实验的目的、与圆柱型同步推进的染料敏化太阳能电池的高效率化方式,以及高效推进研发的秘诀。

设置在温室实验农场内的圆柱型染料敏化太阳能电池。是九州工业大学在牛尾电机的协助下开发的。

设置在温室实验农场内的圆柱型染料敏化太阳能电池。是九州工业大学在牛尾电机的协助下开发的。

——圆柱型电池在设置方法上也与以往的太阳能电池想法不一样。

早濑:製成圆柱型后,关于太阳能电池设置的想法也会改变。圆柱型不但形状类似萤光灯,还能像萤光灯那样操作,设置会变得简单。不仅可以削减施工费,如果太阳能电池劣化了,用户能自己更换。

——圆柱型太阳能电池的研发事例基本没听到过。以前美国Solyndra公司利用无机半导体推出过类似产品,但该公司2011年破产了。

早濑:圆柱型产品的製造比平板型特殊,需要累积经验。由于以前没接触过,所以很难立即就製造圆柱型。我的研发小组目前一直是用接近手工的方法製造。今后要确立量产技术。

——圆柱型有很多优点。但在转换效率上与硅类太阳能电池还有很大差距,如果实现实用化,要如何与之形成差异?

早濑:太阳能电池今后应该会在很多场所得到採用。我认为届时会有圆柱型特有的用途。的确,在现在这样的太阳能电池用途中,转换效率高、供货业绩突出的硅类太阳能电池比较有优势。但不是所有阳光能照到的地方都可以设置现在的太阳能电池。

圆柱型染料敏化太阳能电池即使瞄准利基市场,市场规模也几乎是从零起步的。首先想让企业使用样品,以确立有前景的市场。

之前提到的设置在温室内的用途就是出于这种想法。为了在温室内高效栽培作物,今后应该会设置很多感测器。那麽,这些感测器的电源怎麽办呢?从外面接入电源线比较麻烦,应该会产生在温室内设置电源的需求。但在温室内,电源的设置面积不能佔太大地方。因为在温室中栽培的作物大多都是附加值较高的高价格产品,温室内要尽可能地扩大耕作面积。在这种情况下,可以垂直设置的圆柱型染料敏化太阳能电池的优点就能发挥作用了。

——您的研发小组提出的研究方针是研发新材料、提高染料敏化太阳能电池的转换效率。请介绍一下这方面的研究情况。

早濑:以前,染料敏化太阳能电池使用的色素一直採用有机物,最近正在研究以钙钛矿类材料为色素的染料敏化太阳能电池。这种材料混合了无机材料和有机材料。不使用电解液,为全固体型。

这种染料敏化太阳能电池的特点是,有望实现高转换效率。以前利用有机色素时,吸收的是波长在800nm以下的光,而钙钛矿类材料能吸收1000nm以上的长波长的光,所以能相应提高转换效率。我的研发小组利用最大能吸收波长1060nm的光的钙钛矿类材料色素,获得了14.5%的转换效率。我们的目标是利用混合材料,开发转换效率为20%的染料敏化太阳能电池。不过,由于材料内含铅(Pb),因此同时还想实现无铅化。

——採用钙钛矿类材料的染料敏化太阳能电池是否能实现圆柱型?

早濑:由于单元构造与以前採用有机色素和电解液的染料敏化太阳能电池不同,製造工艺也不同,因此很难立即应用于圆柱型。但可以製成薄膜状的单元,然后卷成圆柱型。

——如果利用圆柱型开拓太阳能电池的新用途,并通过新材料进一步实现进化,开发项目涉及的方面会很多。

早濑:我利用了参加学会和研讨会等演讲会的机会。很多人听到我们研发小组的实践后都会提供建议说“我这裡有这种材料,试一下?”。由此可以获得我们没注意到的资讯,比如製造工艺和材料等。

用太阳能电池开拓新领域,就必须探索新材料。在这一点上,研发基地位于日本有很大的好处。日本企业的材料技术非常强大。海外的研发小组难以获得的新材料在日本都能轻鬆入手。现在我很期待参加2014年7月举行“探讨有机电子的下一个方向”研讨会时,从与会人员那里获得更多资讯。

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