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染料敏化二氧化钛太阳电池市场前景分析

字体大小: - - yaqian   发表于 11-03-05 14:33     阅读(2520)   评论(0)     分类:太阳能新闻
本文介绍了染料敏化二氧化钛太阳电池的结构及原理 , 分析了它的生产成本 , 然后把它与其他种类的太阳电池进行了对比 , 并分析了其发展前景。

    

    关键词 DSC 成本分析市场前景

    

    0 引言

    自瑞士 Gratzel 教授所领导的研究小组在 1991 年首次成功制备出染料敏化二氧化钛太阳电池 ( DSC) [ 1] 以来 , 有关这一新型太阳电池的研究逐渐发展起来。 DSC 被认为是新型太阳电池中最有力的竞争者。传统的太阳电池依靠的是光物理效应 , 而 DSC 则是通过光化学过程来实现光电转换 , 从而可以使太阳电池的光电转换材料不再局限于制备过程复杂、价格昂贵的高纯无机半导体材料 , DSC 能通过使用一般纯度、具有电子和空穴输运特性的材料如氧化物、聚合物等来实现高效的光电转换。

    

    1 DSC 简介

    DSC 的结构如图 1 所示。

    

    

    

    架构实现了近乎 100% 的量子效率 , 这不同于有机太阳电池依据的基体 / 电子受体 / 电子供体 / 基体架构 , 也不同于传统阳电池的 p- n 结架构。后两种由于载流子不可避免的复合 , 子效率有限。而 DSC 的这种架构使染料激发后产生的电子空穴分别在不同的介质里输运 , 同时材料内微量的杂质能级不会对这一过程产生本质的影响 , 从而在根本上抑制了电子穴复合反应的发生 , 因而可以达到很高的量子效率。决定有太阳电池和传统半导体太阳电池光电转换效率的主要因素半导体内部的电子空穴的复合 , 而决定 DSC 光电转换效率主要因素却是电池的光吸收率 , 即染料对太阳光的吸收率。前者相比 , DSC 更易实现较高的量子效率。

    

    伴随着世界各国对能源需求的不断增长和石油资源的逐渐枯竭以及环境问题 , 开发新型清洁能源已经成为各国的首要任务。这其中开发和利用太阳能是很重要的方面 , 经过近 15 年的发展 , 作为一种新型低价的太阳电池 , DSC 已日趋成熟 , 正在逐步走向市场。但以目前的技术 , 它也面临着很多挑战。

    

    2 DSC 成本分析

    低成本和简单的生产工艺被认为是 DSC 最大的优势 , 它主要由导电玻璃基体、纳米晶 TiO2 膜、钌吡啶染料和有机液体电解质组成。根据目前市场上的价格 , 可以估算其原材料成本如下 :

    

    FTO 导电玻璃目前市场价格较贵 , 以 200 元 /m 2 来计。由导电玻璃增加的成本为 400 元 / m 2 , 如果是大规模生产 , 这一成本还会有比较大的降低。 TiO 2 膜的厚度以 10μm 计 , 每平方米所需要的纳米 TiO 2 的量约为 20g , 其用量较少 , 当前生产 TiO 2 的技术成熟 , 价格低廉 , 约为 20 元 / m 2 。到目前为止转换效率最高的染料为钌吡啶染料 ( N3) , 虽然目前市场售价高达 1 600 元 /g 。但这是由生产规模小、技术上的保密和垄断造成的。从生产染料的原材料成本及制备流程来看 , 如采用工业化生产 , 其生产成本可以降低到 100 元 /g 以下。 1g N3 染料大约可以敏化 1m2 的 TiO2 膜 , 所以 DSC 染料的成本约为 100 元 /m 2 。

    

    它材料如电解质、镀铂电极对、连接导线、印刷银浆、热封装材料及外部支持框架等 , 所增加的成本约为 100 元 /m2 。相比于传统硅基太阳电池 ,DSC 的生产工艺较为简单 , 所需的设备投资较少 , 主要的设备为丝网印刷机、烧结炉、层压封装机、太阳电池测定仪及其它附属设备。这些设备都属于耐用设备 , 使用年限较长 , 因此由设备折旧增加的成本较少。如果生产能力较大 , 这一成本还会进一步降低。在这一点上 , 相比于晶体硅太阳电池 , 优势较大。

    

    此外还有生产成本 , DSC 简单的制备工艺决定了其生产成本较低 , 与硅基太阳电池相比 , 无论从人力资源的需求上 , 还是生产环境的需求上都低于硅基太阳电池。因此这一环节对 DSC 的成本影响较小。

    

    综上所述 , DSC 原材料成本约为 600 元 /m2, 以 5% 的光电转换效率来计 , 其成本为 12 元 /W, 随着技术的成熟及相关原材料供应需求的增大 , 原材料的成本还会进一步降低。此外 , 如果光电转换效率提高到 8% , 成本则会降到 5 元 /W, 如果再算上生产和销售成本 , 总的成本价格能够控制在 10 元 /W 以内 , 相比于传统的硅基太阳电池 , 具有较大的价格优势。 DSC 原材料成本的构成如图 2 所示

    

    

    

    从以上分析来看 , 以现在的技术 , DSC 在成本上具有较大的优势 , 但也存在一定的技术风险。敏化染料的成本受稀有金属钌价格的制约 , 因此从长远看开发高效纯有机染料是降低成本的有效手段。此外 , 以上讨论并未考虑 DSC 使用寿命的影响 , 到目前为止 , 还没有 DSC 室外老化寿命的检测数据 , 所测得的实验室极端条件的数据与实际情况有较大的差别 , 寿命的长短很大程度上是由电解质决定的 , 因此研究长寿命高稳定性的电解质材料仍然是最大挑战 , 这对 DSC 的成本形成了一定的影响。以上分析中导电玻璃基体占电池成本的近 70% , 因此寻求有效的替代材料是降低 DSC 总成本最重要的手段 , 很有前景的材料是有机高分子聚合物。然而随着技术进步 , 从 DSC 光电转换原理分析 , DSC 的成本优势会随着生产技术的成熟和规模的扩大而进一步扩大。

    

    3 面临的挑战

    虽有以上的成本优势 , 但 DSC 目前正处于实验室开发阶段 , 有关的成本核算也是基于实验室产业化规模的成本分析基础之上的。作为一种新产品 , 一方面其市场推广的成本是不可估计的 , 能否被市场顺利地接受及下游产品的开发情况也直接关系到 DSC 的发展 ; 另一方面 , 由于地域和气候不同 ,DSC 的使用也会受很大的影响 , 因此完整的室外老化实验数据是必需的。不同种类太阳电池的最高转换效率见图 3 。

    

    

    茨外还有来自其它新型薄膜太阳电池的挑战, 随着世界能源消费的持续增加及传统能源的枯竭和价格走高, 各国政府相继提出了建立节约型社会的理念。这导致一些高耗能半导体原材料价格飞涨, 如单晶硅。因此薄膜型太阳电池逐渐受到关注, 如非晶硅、硫化镉、铟锡。这些电池的转换效率和稳定性有了长足的进步, 已大规模地进入了消费电子产品的应用领域, 这些产品成本较低、技术成熟、工艺稳定。这对DSC的发展构成了很大的威胁。以当前的技术, DSC 还没有与之竞争的能力。这也是DSC 产业化市场前景的不确定性。

    

    从理论上分析, DSC 最高能达到25% 的光电转换效率和20 年的稳定性。但现在国际上最好的结果与这一结论相差甚远。因此, 从技术上来说, DSC 产业化的条件还不成熟。太阳电池做为一种长期置于户外的装置, 受到各种自然条件的影响。

    

    而基于液体电解质的DSC, 无疑将会增加不稳定的风险。这还有待于进一步进行研究和实验。以DSC 的成本优势, 如达到5%的光电转换效率, 室外稳定性达到10 年以上, 就具有了产业化潜力.

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