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技术前沿TECHFRONT
技前 TECH-FRONT 术沿
把绿能源带进生活
1月号 > 总第6期 2011年 > 第1期
2010年6大最佳绿能源事件
> P1
2010年6大最佳绿能事件
绿能源创新像雨后春笋，尤其是太阳能和风能的突破 > P1
Solar3D三维太阳能电池
灵感来自光纤光学，效率远超现有电池技术 > P5
新一代锂电池充电快40倍
“纳米铲”材料可以减轻阳极充电时的压力 > P13
宝马mm vivian中能硅业研发中心
TECH-FRONT > 绿能源 A
2010 年
大最佳绿能源事件
美国《人居》（Inhabitat）杂志评出2010 年 6 大最佳绿能源新闻，评选文章说，绿能源创新像雨后春笋，世界各国都在寻求可持续能源来替代石油和煤炭，2010年硕果累累，充满了新产品，新发现和创意，这一年尤其耀眼的是看到了太阳能和风能的突破。
太阳能首次比核电便宜
美国杜克大学研究首次说明，在北卡罗来纳州，太阳能比核电便宜，核电每千瓦小时16美分，而太阳
能14美分。
聚风镜风轮机提高风电效率 3 倍镍代替金使太阳能电池降价 80%
日本九州大学（Kyushu University）教授裕二大矢宽朗（Yuji Ohya）发明聚风镜风轮机（Wind Lens），就像聚光镜聚焦太阳光一样，可以聚集风流，这种风轮机发电量可提高3倍，而且设计简单，并没有太多移动部件，只有一个环，环的直径112英尺。环的边缘制成扩散器，把风聚集到中心，放大风的力量。量子点太阳能电池包含硅基质和薄膜状的纳米晶体涂层，也叫量子点，通常用金制成。加拿大多伦多大学科学家用镍代替金，使胶质量子点太阳能电池价格降低80%。多伦多大学博士拉坦·徳布纳斯（Ratan Debnath）用镍代替金，增加硅基质厚度，使电池同样有效，价格降低80%。
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TECH-FRONT > 绿能源 A
2010 年
廉价高效蜂井风轮机下月上架
大最佳绿能源事件
美国密执安州风电公司（Windtronics）研制的蜂井（Honeywell.）风轮机型号是WT6500，传统风轮机要求8 mph的风速，而这款新发明只要求 2 mph 的风速，在风力不大的情况下发电也很可观。传统风轮机用风力驱动叶片旋转，传动齿轮，带动发电机，而新发明没有齿轮和发电机，每扇叶片末端带有磁铁，旋转时，磁铁都经过铜线圈，所以整个风轮机是一个大的发电机。小风就可使叶片旋转，噪音非常小，只要35db。
供暖采用屋顶铺设玻璃瓦
美国最大钠硫电池为德克萨斯州小镇供电
瑞典太阳技术能源公司（ SolTech Energy System）的屋顶加热系统获得2010年最热新材料奖，这一独特的系统依靠加热空气，而不是加热水或者真空管，可产生每平方米 350kwh 的热量。屋顶采用普通的透明玻璃制成的瓦片，瓦片铺在黑尼龙帆布上，帆布下面安装了空气槽。黑帆布受热，空气槽中空气开始流动，被加热的空气累积，连接到供暖系统，加热暖气管中的水，因为配备有良好的热量储存系统，在冬天夜间都管用。
最大钠硫电池建在德州普雷西迪奥（Presidio）小镇，建造成本为2500万美元，叫做“大老电池”（ BO
B：BigOld Battery），电池尺寸实际上就是一所房子大，因此也叫电池房，本周开始存电。此前，这里只有一根用了60年的电线连接电网，经常停电。这一电池可储存 4 百万瓦特电力长达8小时，可以满足整个小镇用电。
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车贴TECH-FRONT > 光伏综合B
2010年PV-Tech十大热门产品
在刚刚过去的2010年中，光伏供应链中新产品数量与往年相比有了显著提升。新品发展的主要动态集中在公共事业规模市场，此次上榜的技术极具多样性，产品覆盖面甚广，包括太阳能电池金属浆料、组件和逆变器等。值得一提的是，西门子Sinvert系列中央逆变器(英文)自2008年9月面世以来，便时刻吸引着广大读者的眼球，甚至有读者一而再再而三地查看这项技术。排行榜上排名第十的产品出自另一家逆变器制造商——通用电气(GE)，其产品简介于2010年一月份。与其它企业一样，通用电气从风能产业借鉴了相关经验用在光伏产业，以满足迅猛扩张的公共事业规模光伏市场。费斯托 (Festo)公司发布的伯努利夹钳技术 (Bernoulli Gripper’)凭借其独特的非接触式设计，占据了去年年度最流行新品
榜单第九名的位置。利用这项技术，生产商可以在工厂内更加自如地运输硅片及电池，从而降低了破损率，提高了工厂产量。排行第八的产品是丹麦Sunsil公司的全集成组件系统，该产品在去年举行的慕尼黑太阳能技术国际贸易展览会(Intersolar Munich)上首次亮相，由于在光伏组件上采用了一系列突破性创新技术，该产品一问世便受到了广泛的关注。位列第七的是一款上市已久却始终广受关注的产品。三菱电机公司在2009年2月公布的高效多晶硅电池仅被用于该公司生产的组件中，时隔一年多后该产品依然十分流行。排名第六的产品是来自于博世力乐士公司的支架系统，该产品自去年5月公布以来便受到了广泛的关注。该支架系统采用了独特而简易的滑入式设计，把光伏薄膜组件的安装速度在传统支架安装方式的基础上提高一倍。正因为此，用于公共事业规模项目的支架系统史无前例地获得了广泛的关注。 Schmid公司的“inSECT”选择性发射极技术排名第五。这项太阳能电池技术现已投入批量生产，与此同时选择性发射极技术也开始成为工业上的主流。排在第四位的依旧是为公共事业规模电厂而设计的产品，即来自SunPower公司的新一代T20跟踪系统。该产品是当今市场上最强大的太阳跟踪器，所采用的电池板集成了128片高效率电池，输出达到400W。SunPower公司的项目开发业务日益壮大，并凭借其蓬勃发展的项目开发与福思第一太阳能(First Solar)这样的企业在业内相抗衡，因此该公司在2010年一直不乏热点新闻。而T20跟踪器正是SunPower技术创新产品中的典范。三洋公司的产品最终能够跻身三甲可谓是众望所归。这家日本光伏制造商推出了新款N系列 HIT 组件产品，效率达到21.1%，这也是市场上最高性能的组件产品之一。位于榜眼的产品来自杜邦，该公司生产的 Solamet PV412 光伏金属化浆料适用于柔性薄膜衬底，能有效提高先进薄膜电池的转换效率。 Kanek
a公司的“混合型”光伏组件自2010年在美国市场上市以来便力压雄，最终登上榜首位置。这款由Kaneka开发的组件采用了串联结电池结构，由一层微晶硅薄膜和一层非晶硅薄膜组成。Kaneka表示这款组件的能量效率与之前该公司
的传统非晶硅薄膜光伏组件相比提高了42%以上。
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TECH-FRONT >硅材料 C
多晶硅生产新工艺
据报道，山阳科技股份有限公司（以下称山阳科技）采用高能氢原子速气旋式还原燃烧法制备多晶硅，生产成本低于20美元。有别于改良西门子法、硅烷法和FBR 法，该方法以无可燃性四氟化硅（SiF4）为原料，在自蔓延燃烧气旋式反应器中，被高能氢原子速还原。技术来源于加州理工学院的团队。山阳科技是由台湾半导体公司和安炬科技股份有限公司共同投资成立，位于台湾宜兰县。2008年开始新建一期厂房，2009年年中投产，年产能3500吨，纯度最高可达9N。 2010年9月，马斯葛集团有限公司、海润光伏科技股份有限公司及山阳科技订立战略合作协议。根据战略合作协议，海润光
伏同意尽力在商业上协助山阳科技在其生产厂房进一步发展及制造多晶硅，包括：（1）整合现有生产流程及创造新流程进一步降低生产成本；（2）建立使用还原性燃烧工序制造多晶硅市场；（3）在制造及检测设施环节相互配备人员以协助合作程序。山阳科技同意就向日後海润光伏供应多晶硅事宜上向海润光伏提供若干优惠条款。山阳科技及海润光伏已同意将供应协议的年期再延长五年至二零二一年。 2011年1月，马斯葛集团有限公司宣布以1.5亿美元收购山阳科技50.1％股份，并计划新建另外五间厂房，于2012年第一季度前将山阳科技的多晶硅产能提升至2.1万吨。山阳科技的多晶硅制备技术曾在美国、欧洲、日本、中国大陆和台湾等地区申请专利（专利号： CN101285122A）。专利文件中技术描述如下：在反应器内部放置有倒圆锥形中空腔体20，如图1所示，还原剂30（如Na），被33载带进入反应器的中空腔体，氧化剂（如SiF4）则通过40－45口进入中空腔体，并与腔体内壁碰撞，形成漩涡，如图2所示，中空腔体被加热至1500度，在高温下，氧化剂与还原剂发生反应，生成的气体产物从22流出，主产物硅从23流出，副产物NaF从511流出，由于NaF在高温下与各种过渡金属化合物具有极高的反应性，因此，制备的多晶硅Si具有很高纯度。
图1
自蔓延燃烧气旋式反应器
图2
自蔓延燃烧气旋式反应器的A-A’视图
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TECH-FRONT > 太阳能电池 D
Solar3D公布三维太阳能电池细节
“我们至今所完成的研究、分析和实验让我们胸有成竹，我们已经为公司制定了发展进程和时间表，”Solar3D的首席执行官吉姆·纳尔逊 (Jim Nelson)表示，“从时间和成果两方面来看，我们目前的进度已经超过了此前的计划。”纳尔逊称，Solar3D在2011年为研发团队设立了4个核心目标，包括：陷光技术和三维微型光伏电池结构的设计；确定电池的使用寿命；制造电池原型。纳尔逊补充道，“能将科学理论变成实际产品，我们感到十分令人兴奋。我们重新创造了效率远超现有技术的下一代太阳能电池，并把它从设计草稿变成真正的产品。不仅如此，我们的设 Solar3D近日公布了其新款太阳能电池的细节，并计划在2011年年底前完成电池原型的开发。 Solar3D公司表示其三维微型光伏电池受光纤光学器件中使用的光管理技术的启发，这款产品可能会对太阳能行业带来翻天覆地的变化。传统的太阳能电池表面约反射掉 30% 的光能，电池内使用材质亦会消耗更大一部分的光能。Solar3D的太阳能电池受到光纤装置内的光控制技术(light
management techniques)启发，使用三维太阳能电池技术将太阳光捕捉在微光电结构中，光子在期间会不断反弹直到转换成电力，此技术可让新世代的太阳能电池提高转换效率，产生更高电能，并减少每瓦电力成本。 Solar3D重新设计太阳能电池，使其借着控制光来提取最大能源，并致力大幅提高转换效率、简化制造难易，达到降低每瓦生产成本的目标。目前三维太阳能电池可使用砷化镓 (gallium arsenide)等光电材质制造，不过Solar3D正专注研发以硅为开发原料的电池。计还全面兼容现有的电池装配工艺和生产线。这样一来，我们还可以进一步降低太阳能每瓦发电成本。”“我们对所从事的工作充满激情。我们相信通过把微型光伏技术、先进光管理技术和生产工程技术相结合，能为人们带来真正用得起的太阳能。”
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法拉利458视频TECH-FRONT > 太阳能电池 D
日本科学家研发“蛾眼”太阳能电池薄膜标致车
光伏行业的创新不仅源自实验室中的日日夜夜，同样要感谢大自然的恩惠。这款最新型薄膜电池技术的设计灵感正来自于蛾眼的防水性质及抗反射涂层结构。一支日本研究团队近日在双月刊 Energy Exp
ress上发表了一篇学术文章，介绍了其下一代电池保护膜。该结构模仿了蛾眼的微观结构，用作为太阳能电池，有效降低了电池反射光强，因此能捕获到更多的太阳能。为难太阳能电池的一大问题是它们不能吸收它们收到的所有阳光。以前，在大多数太阳能电池上看到的蓝抗反射涂层的效率为60-65%，这意味着有近三分之一的光线被它反射回到了天空。这是因为此涂层只吸收阳光的波长较窄。美国佛州大学和波特兰州立大学的科学家曾认为他们已经发现了更好的办法，利用飞蛾眼睛来开发更便宜有效的太阳能板。飞蛾复眼由数千个小眼组成。而每只小眼又都自成体系，各自具有简单的角膜、晶状体和感光细胞，就好像是一架微型照相机，都有视力，能识别光线和一些颜。这种构造让它们具有特别异常好的抗反射效率，此进化发展可保护它们不被夜行捕食动物给吃掉。飞蛾复眼的这种构造让它们具有特别异常好的抗反射效率，此进化发展可保护它们不被夜行捕食动物给吃掉。科学家已经发现的秘诀是，他们能通过利用在流体悬浮状态下的纳米粒子和旋转的硅片来模仿这一构造模式，由此制造的涂层其光反射率不到2%。而且生产这种涂层比标准的蓝抗反射涂层更简单便宜。“对于任何类型的光伏组件来说，表面反射所带来的效率损失都是不可避免的，因此，业内各方均在追求降低表面反射的方法。”日本长冈技术科学大学的Noboru Yamada表示。 Noboru领导了这支研究团队，该团队还包括了来自三菱丽阳(Mitsubishi Rayon)以及日本东京都立大学的科学家。根据该论文，研究组在凤凰城(Phoenix) 及东京设立的两处测试区的研究结果显示，“蛾眼”薄膜结构将太阳能电池的全年平均效率分别提高了6%（在美国凤凰城）和5%（在日本东京）。“人们可能会认为这点提高微不足道，但光伏领域的效率就像车辆的油耗一样，一点点微小的提高都将带来积极的变化。”这支团队目前正试图提高薄膜的耐久性，并使之适用于更多类型的太阳能电池。
新型电池薄膜的灵感来源于蛾眼超强的抗反射性质
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欧帕斯TECH-FRONT > 太阳能电池 D
新的碳材料可降低有机光伏电池的成本
有机太阳能电池被视为是硅太阳能电池费用低廉的替代产品，这是因为其使用含碳化合物，而不是高纯度的硅。然而，科学家在推出这种可用于电池电极和输电的新材料过程中，经历了许多困难。电极的标准材料是铟锡氧化物，其价格非常昂贵并且稀少。因此，麻省理
刹车碟
工学院的研究人员提出一种可在有机太阳能电池上使用的新材料，即由石墨薄膜制成的替代产品，由此可让这种电池更加实用、并且价格低廉。石墨薄膜是碳的一种形式，在它的构造中，原子经过排列形成一个原子厚度的薄膜。石墨薄膜电极的具体的特点与铟锡氧化物有所不同，但是它们在太阳能电池的总体性能是非常相似的。石墨薄膜是透明的，因此由这种材料制成的电极可应用于透明太阳能电池，在这种情况下，就不会阻挡太阳光。它也是柔性的，因此能够让有机太阳能电池紧随结构的外形，这样便于实现太阳能电池建筑一体化。一个这种太阳能电池板可以叠加在另一个电池板上面，这
样就会增加一个特定区域的发电数量。然而，研究人员遇到的一个障碍就是如何让这种材料粘附在电池板上。石墨薄膜排斥水，因此用溶液中沉淀材料的方法生产电极是不可行的。为了解决这一问题，研究团队在石墨薄膜表面使用一层杂质，以改变其特性，使其能够牢固的粘附在电池板上。这项新的技术也能够改善这种材料的电传导性。现在研究团队正在就使用石墨薄膜来取代太阳能电池板上的两个电极开展工作，并且正在寻求开发大规模生产石墨薄膜的新技术。正在开展的工作获得Eni-MIT Alliance Solar Frontiers Center和美国国家科学基金会奖学金的注资。
原子经过排列形成一个原子厚度的石墨薄膜
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TECH-FRONT > 太阳能电池 D
新型光敏染剂
创造高效太阳能电池
由于它的效率比硅电池低，这种类型的太阳能电池过去经常被忽略，但布法罗大学研究人员的这一发
现可以使这种电池在市场上更可行，因为它可以提高效率，但不提高它们的价格。该研究小组由布法罗大学教授Michael Detty带领，刚刚收到美国专利和商标局的核准通知，认可他们染料的化学成分。“一小时的阳光可以给全世界供电一年，但我们没有挖掘它，用它发电或者制备太阳能燃料，”Detty说。“如果我们想实现能源独立，这将来自太阳能。”合作者发现，硫族玫瑰精可有效作用于同源的氢生产系统，采用钴（cobalt）为催化剂，在异构系统中，采用二氧化钛（ titanium dioxide ）上沉积铂（platinum）作为催化剂系统。布法罗大学的研究人员创造了一种新型光敏染剂（photosensitizing dyes），这将连续猛烈冲击太阳能系统的效率，将会使太阳能电池板和清洁燃烧的氢燃料发电机都更有效率。这种新的染料敏化（dyesensitized）太阳能电池的功能，是把太阳光能量直接转变成电流，这就绕过了大多数太阳能电池板需要的复杂导线系统，使它们生产更便宜。
染料敏化太阳能电池将太阳光直接转化为电流，因为光子会撞击自由电子，在染料中形成电流。这些电池传统上效率低于硅基太阳能电池，但它们还是有吸引力，因为它们价格低。这种电池也可以生产氢燃料，它可以利用自由电子驱动化学反应，把水分解为氢气和氧气。研究人员的新一类的化学染料，称为硫族玫瑰精（chalcogenorhodamine）染料，比传统染料可吸收更多的光，而且可更有效地释放电子和传输能量。
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TECH-FRONT > 太阳能电池 D
镓氮砷合金材料太阳能电池效率达40%
硅太阳能电池的效率一般只能达到20%，效率更高的电池都很复杂，也很昂贵。据美国物理学家组织网1月24日报道，美国劳伦斯·；伯克利国家实验室科研人员伍雷戴克·瓦卢克维领导的研究小组，用镓氮砷（GaNAs）合金的特殊材料和简单的组合方法，使他们制造的多带型太阳能电池效率达到40%以上。在标准半导体太阳能电池中，带隙将电池
分成导带和价带，靠光子激发带隙两边的电子—空穴对来产生电流。只有能量超过带隙的光子能产生电流，这导致了太阳能能量转化的门槛：小的带隙能吸收更多光子，产生更大电流但电压不足，而大的带隙能产生更要让太阳能电池更高效，必须在不同的板层用不同的带隙进行复杂的叠装，让电池不同部分吸收不同的太阳光谱。瓦卢克维说：“将某些半导体混合能有效提高太阳能电池的效率，但这种方法一般很复杂。目前效率达到40%的太阳能电池通常要18层半导体，而我们的技术只要4层到5层。” GaNAs半导体合金具有独特的电子带状结构，能使太阳能电池效率更高。瓦卢克维小组通过工程改良方法，用GaNAs 合金制造了单一材料的多带型太阳能电池（Multiband Solar Cells），能吸收多波段的太阳光谱。“多年来科学家一直在研究混合半导体，改良材料属性。但他们在研究那些容易混合的半导体，而我们研究的材料很难被混合，必须使用特殊的强制方法。”瓦卢克维说：“其他高效太阳能电池
形成不同带隙时用了多种半导体材料，而我们开发的半导体非常简单，只含有一种材料，却形成了多种带隙。”
大电压却电流有限，因此大部分太阳光子不能被吸收。当发生混合时，半导体会在带隙形成中间带的状态。
已工业化验证的最高效率薄膜组件
MiaSolé这一CIGS薄膜光伏太阳能面板的领先生产商近日宣布，其生产的大面积组件（1平方米尺寸）被美国NREL实验室独立认证，其转换效率达15.7%，该组件效率与先前2010年9月公布的14.3%的组件效率是比较接近的。这也是目前为止已工业化验证的最高薄膜组件效率，并有效地缩小了与多晶硅组件效率的差距。 MiaSolé先前就披露，在完成UL和IEC 认证后，其将于2011年第二季度开始安装13%效率的组件。“这是一个显著的成就，它意味着有能力生产全尺寸CIGS组件，其效率相当于当前市面上的多晶硅组件效率或更好，但是仅需生产薄膜电池的成本结构。我们欣喜地看到效率提升比预期提前完成，并且我们相信有能力将高效CIGS技术市场应用”，MiaSolé公司的CEO Dr. Joseph Laia说。“这是一个非常令人兴奋的结果，特别是它较先前去年九月份实现的14.3%效率来得这么快。在这么短的时间内，在连续卷对卷生产线上，几乎1.5%的效率提升令人印象深刻。这也证明了良好的工艺控制和MiaSolé方法的合理性。”NREL太阳能研究员Dr. Rommel Noufi说。其指出，该成绩显著地缩短
了电池工业化和实验室生产性能（20.3%）之间的差距。这也使得CIGS技术顺利地向实践DOE的$1/Wp光伏系统的目标迈进。 MiaSolé目前提供更经济的太阳能组件，效率与多晶硅相当且为薄膜组件的生产成本。MiaSolé采用独特的生产工艺在弹性不锈钢衬底上沉积CIGS，并采用单连续过程生产高效太阳能电池所需的所有层。MiaSolé是唯一的在太阳能组件涂覆工序的每一步采用喷涂工艺的薄膜太阳能公司，因此缩短了生产时间，降低了生产成本。 MiaSolé预计于2011年将安装22MW该组件。该公司的产品主要为公用或独立发电生产商工业化规模使用而设计，例如大规模屋顶和地面支架安装系统等。
2011.1 > 技术前沿 > TECH-FRONT
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TECH-FRONT > 光伏系统 E
新型高效热-电联供聚光光伏系统（CPV/T）
中国科学院广州能源研究所通过加入光学聚光部件，将阳光汇聚到一个面积很小的电池上，从而提高单位面积光照强度，大大提高系统的发电功率，同时充分利用系统产生的余热，提供生活用热水，实现了同一个系统，电、热水两联供的目的。聚光光伏 / 热模块是CPV/T 的核心部件，主要由初级聚光
系统、二次光学元件、太阳能电池模组以及水冷却系统（如图）示。初级聚光系统主要是聚焦太阳光的作用；二次光学元件可以进一步聚光，并且可以消弱由于初级聚光系统汇聚后光的散现象，使光会变得更均匀，提高电池片的光电效率，同时可以降低系统对跟踪精度的要求；太阳能电池模组是经过特定封装后的太