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富有金属替代Si太阳能电池中的Ag电极

2013-4-16 08:31| 发布者: echo| 查看: 8815| 评论: 0|来自: 世纪新能源网

摘要: 到2050年全球的能量需求将达28TW,到2100年则为46TW。部署的光伏太阳能电池必须扩展到数十万亿峰瓦,以便满足这些需求令人注目的一部分。太阳能电池的输出随一天中的时段而改变。太阳能电池的时间平均输出是其峰值功 ...

       到2050年全球的能量需求将达28TW,到2100年则为46TW。部署的光伏太阳能电池必须扩展到数十万亿峰瓦,以便满足这些需求令人注目的一部分。太阳能电池的输出随一天中的时段而改变。太阳能电池的时间平均输出是其峰值功率的15-20%;所以,50TWp的太阳能电池将产生7.5-10TW的平均输出,或2100年全球能量需求的~18%。

       在现今几乎所有的硅片太阳能电池中,用Ag作为n型发射极上的指形电极,而Al用于作为p型基极上的背电极。硅片太阳能电池达到万亿瓦数量级的主要瓶颈之一是Ag的稀少。根据美国地质调查(U.S. Geological Survey),地球上已知的Ag储量约为570,000公吨。众多分析估计,从硅片太阳能电池可能得到的最大功率受Ag储量的限制。他们得出相似的结论,即已知Ag储量将把硅片太阳能电池约束在小于1万亿瓦时间平均输出,这是我们2100年能量需求的很小部分。此外,Ag的价格自2010年夏季以来急速上涨,现在已经是电池成本的重要部分。若太阳能电池工业继续以现在的步伐增长(年均约50%),对Ag的需求也将持续增加,肯定会使Ag价更高。因此,为使硅片太阳能电池成为未来能源的重要来源,必须用低成本地球富有金属替代Ag。

       本文考察了多个地球富有金属,目的是确定Ag的合适替代品。结论是,Cu和Al是Ag的合适替代金属。讨论了Cu和Al替代Ag的一些挑战。给出了解决Al替代Ag时碰到的挑战的初步结果。

Ag的潜在替代品

       确定Ag合适替代品的主要考虑因素是材料的丰度和电阻率。作为指形电极,替代金属的电阻率必须低且与Ag的电阻率相当。若采用较高电阻率的金属,为了保持同样的指形电阻,指形电极的宽度或高度就不得不增加。这样,或者电池效率受损,或者制造难度增加。

       作为参考,Ag是所有金属中电阻率最低的之一,其电阻率为1.59×10-6Ω-cm。表1从低到高列出了不同金属的电阻率。根据电阻率,Cu是Ag的最佳替代品,其电阻率仅比Ag高6%。若用Al且指形宽度保持一样,指高度或高宽比必须增加77%才能保持同样的指电阻。这颇具挑战性,不过仍有潜在的可行性。Ca的电阻率高111%,但Ca与水气反应,故不适宜用作接触金属。Ca以上任何金属的电阻率太高,不宜用于指形电极。



       表2根据U.S.Geological Survey列出各种金属已知的储备量和目前的年产量。储备量包括有经济价值和经济价值不大的资源。依据储量和年产量,Ag比不过其他金属。Sn的年产量与其他金属比也很小。Cu和Al二者有巨大的储量,它们的年产量在数千万吨范围内,足以支持万亿瓦级硅片太阳能电池的生产。


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