新型光伏材料與新能源發(fā)電技術(shù)的融合創(chuàng)新

中圖分類號(hào)：TM614 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2025）24-0042-04

Abstract：Inthecontextofacceleratingthetransformationofglobalenergystructuretocleanenergy，newenergypower generationtechnologyhasbecomeanimportanttechnologytomeettheelectritydemandofthemasses，improvesocial productioneficiencyandpromotesocialsustainabledevelopment.Solarpowergenerationtechnology，windpowergeneration technology，hydropowergenerationtechnology，nuclearpowergenerationtechnologybiomasspowergenerationtechnologyare importanttypesofnewenergygenerationtechnologyWiththedevelopmentofsocietyandtheprogressofscienceandtechnology， newphotovoltaicmaterialscontinuetoemerge.Newphotovoltaicmaterialsandsolarenergythisnewenergygenerationtechnology compatibilityishighInordertopromotethedevelopmentofthepowerindustry，enhancepowersuplycapabilities，andpractice theconceptofgreendevelopment，itisnecessarytousesolarpowergenerationtechnologyastheentrypointfortheintegrated inovatioofnewphotovoltaicmaterialsandnewenergypowergenerationtechnologies，andcreateanewenergysituationthatis efcient，low-cost，andsustainable.aleviatetheglobalenergycrisisandrespondtoclimatechange.Tispapersummarizesnew photovoltaicmaterialsandsolarpowergenerationtechnology，andexplorestheintegratedinnovationpathofnewphotovoltaic materialsandnewenergypowergenerationtechnologyfromtheperspectiveofsolarpowergenerationtechnology，aimingto provide guidance for thescientificapplication of new photovoltaic materials innew energypower generation technology.

Keywords：newphotovoltaicmaterial；solarpowergenerationtechnology;newenergypowergenerationtechnology；integrated innovation; innovation path

新能源發(fā)電技術(shù)是指利用新能源進(jìn)行電能生產(chǎn)的技術(shù)，而太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)是新能源發(fā)電技術(shù)的一大類型。新型光伏材料的發(fā)展與進(jìn)步不僅能夠提高太陽(yáng)能發(fā)電效率，降低太陽(yáng)能發(fā)電成本，而且能夠拓展太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景，滿足社會(huì)各領(lǐng)域?qū)﹄娔艿男枨螅粕鐣?huì)健康發(fā)展。因此，應(yīng)當(dāng)高度重視新型光伏材料。同時(shí)，還需要深人研究新型光伏材料與太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)的關(guān)系，探究新型光伏材料與太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)融合創(chuàng)新的方法與手段，以提高新型光伏材料在太陽(yáng)能發(fā)電中的利用率，保證材料應(yīng)用效果，促進(jìn)太陽(yáng)能發(fā)電產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，推動(dòng)國(guó)家能源結(jié)構(gòu)向著綠色、可持續(xù)的方向發(fā)展。

新型光伏材料與太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)概述

1.1新型光伏材料類型與特性

為提高太陽(yáng)能發(fā)電效果，助力太陽(yáng)能發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展，科研人員對(duì)光伏材料進(jìn)行了研究與開發(fā)，推動(dòng)了光伏材料創(chuàng)新。鈣鈦礦材料、有機(jī)光伏材料、量子點(diǎn)材料是新型光伏材料的類型，也是材料科技創(chuàng)新成果的具體體現(xiàn)。

鈣鈦礦材料具有獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)，其化學(xué)式通式為ABX。該材料在太陽(yáng)能發(fā)電中主要具有以下特性：一是光吸收系數(shù)極高。通過利用鈣鈦礦材料開展太陽(yáng)能發(fā)電活動(dòng)，能充分吸收太陽(yáng)光，提升光電轉(zhuǎn)換效率。目前，實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的鈣鈦礦材料對(duì)太陽(yáng)光的吸收率已經(jīng)超過了25% 。二是制備工藝簡(jiǎn)單、成本低。可運(yùn)用溶液旋涂法這種簡(jiǎn)單與低成本的技術(shù)制作鈣鈦礦材料。雖然在鈣鈦礦材料太陽(yáng)能發(fā)電領(lǐng)域具有一些優(yōu)勢(shì)特性，但是也存在應(yīng)用劣勢(shì)之處。例如，鈣鈦礦材料穩(wěn)定性欠佳，易受水分、溫度影響，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。有機(jī)光伏材料是一類由有機(jī)分子構(gòu)成的光伏材料，具有可溶液加工的特性。同時(shí)，還具有具備良好的柔韌性，可制成柔性光伏器件，拓展應(yīng)用場(chǎng)景。另外，材料來(lái)源廣泛，如小分子有機(jī)化合物、共軛聚合物、富勒烯和鈣鈦礦材料等均是制作有機(jī)光伏材料。由于這些材料的價(jià)格并不高，所以還可以降低有機(jī)光伏材料的制作成本。不過，有機(jī)光伏材料的光電轉(zhuǎn)換效率目前低于傳統(tǒng)無(wú)機(jī)材料，且穩(wěn)定差、壽命短。量子點(diǎn)材料是一種納米級(jí)半導(dǎo)體材料，具有顯著的量子尺寸效應(yīng)，能通過調(diào)節(jié)尺寸精確控制吸收光譜，提高對(duì)不同波長(zhǎng)光的利用率。此外，量子點(diǎn)材料的載流子遷移率高，在促進(jìn)電荷傳輸、提高發(fā)電效率方面發(fā)揮著重要作用。然而，材料合成工藝復(fù)雜，制作成本高，且在大規(guī)模制備和穩(wěn)定性方面存在挑戰(zhàn)。

表1新型光伏材料類型與特性

1.2太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)原理

1.2.1 光伏發(fā)電技術(shù)

太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)包括光伏發(fā)電技術(shù)。該技術(shù)依靠半導(dǎo)體材料使太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，而技術(shù)的基本原理如圖1所示。半導(dǎo)體材料構(gòu)成PN結(jié)兩側(cè)，隨著載流子的互相擴(kuò)散形成了中間的空間電荷區(qū)，即W區(qū)。通過觀察圖1可發(fā)現(xiàn)，W區(qū)域相較于P、N區(qū)域來(lái)講寬度小。W區(qū)域產(chǎn)生電場(chǎng)（E）的重要區(qū)域。此電場(chǎng)能阻擋很多載流子持續(xù)向?qū)Ψ絽^(qū)域擴(kuò)散，不過能使一些特殊的載流子擴(kuò)散到對(duì)方區(qū)域。基于此電場(chǎng)的特性，其難以形成電流、輸出電能，滿足人們對(duì)電能的需求。但是在光照的條件下此電場(chǎng)能產(chǎn)生非平衡電子，并促使P區(qū)的電子向N區(qū)移動(dòng)。隨著電子的移動(dòng)，N區(qū)的電子量得到顯著增加，P區(qū)的電子量則得到相應(yīng)的減少，產(chǎn)生大量的空穴。N區(qū)與P區(qū)電子量的變化會(huì)增加一個(gè)電場(chǎng)電場(chǎng) ΔE_ph 與電場(chǎng) E_i 的方向背道而馳。在這2個(gè)不同電場(chǎng)的作用下，PN結(jié)兩者之間會(huì)形成點(diǎn)動(dòng)勢(shì)。通過將電路連接，則可以產(chǎn)生電流輸出電能，形成太陽(yáng)能光伏電池。僅靠單個(gè)光伏電池并不能產(chǎn)生足夠的電能，不利于提高電能供應(yīng)能力。但是通過將無(wú)數(shù)個(gè)光伏電池串聯(lián)與組裝，就可以在光照的作用下加強(qiáng)電流輸出，提高電力生產(chǎn)能力，增強(qiáng)電力供給能力，滿足人們?cè)谏a(chǎn)與生活中對(duì)電力的需求。

圖1光伏發(fā)電技術(shù)的原理

1.2.2 光熱發(fā)電技術(shù)

光熱發(fā)電技術(shù)是通過將太陽(yáng)能的光能轉(zhuǎn)化為熱能，并將熱能轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)。光-熱轉(zhuǎn)化和熱-電轉(zhuǎn)化是該技術(shù)在能源轉(zhuǎn)化、發(fā)電中的原理。其一，光-熱轉(zhuǎn)化。將太陽(yáng)光吸收是將光能轉(zhuǎn)化為熱能的前提。由于光吸收性質(zhì)強(qiáng)的材料能提高對(duì)光的吸收率，所以在發(fā)電設(shè)備中運(yùn)用光吸收性質(zhì)強(qiáng)的材料將光能吸收。在光吸收后，材料中的電子獲得光子能量而被激發(fā)，從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)。處于高能級(jí)的電子不穩(wěn)定，會(huì)通過與周圍原子或分子碰撞，將能量傳遞給它們，使得原子或分子的熱運(yùn)動(dòng)加劇。這樣材料中的溫度會(huì)出現(xiàn)升高，實(shí)現(xiàn)光能到熱能的轉(zhuǎn)化。其二，熱-電轉(zhuǎn)化。傳熱媒介、熱發(fā)電器件、發(fā)電輸出在熱能與電能轉(zhuǎn)化中發(fā)揮著重要作用。傳熱媒介將吸收的熱能帶入熱發(fā)電器件，而熱發(fā)電器件，如熱電材料會(huì)基于熱電效應(yīng)，即通過溫差驅(qū)動(dòng)材料中的電荷運(yùn)動(dòng)，繼而產(chǎn)生電流。在將電路與熱發(fā)電器件相連接后，電流、電壓就可以被輸出與使用。

2新型光伏材料與太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)的融合創(chuàng)新路徑

2.1基于提升效率的融合創(chuàng)新路徑

2.1.1 材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由于鈣鈦礦材料、有機(jī)光伏材料、量子點(diǎn)材料是重要的新型光伏材料，影響太陽(yáng)能發(fā)電效果，所以本研究主要從這3個(gè)材料方面對(duì)材料與太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)的融合進(jìn)行探究。為保證新型光伏材料與太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)的融合效果，提高發(fā)電效率，有必要優(yōu)化新型光伏材料的結(jié)構(gòu)。鈣鈦礦材料屬于晶體結(jié)構(gòu)。為提高光電轉(zhuǎn)換效率，增強(qiáng)發(fā)電的穩(wěn)定性，更好地推廣與應(yīng)用鈣鈦礦材料，發(fā)展電力事業(yè)，應(yīng)當(dāng)在制備鈣鈦礦材料的過程中精確調(diào)控生長(zhǎng)參數(shù)，如控制溫度、溶液濃度等，減少晶體缺陷，保證材料制備質(zhì)量4。在加強(qiáng)新型光伏材料與太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)融合的過程中，還可以設(shè)計(jì)復(fù)合結(jié)構(gòu)。有機(jī)光伏材料可溶液加工、柔韌性強(qiáng)，量子點(diǎn)材料載流子遷移率高、對(duì)不同波長(zhǎng)光利用率高。為提高復(fù)合結(jié)構(gòu)構(gòu)建水平，可以將以上2種材料應(yīng)用在復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。其中，可以將有機(jī)光伏材料作為底層，以初步吸收太陽(yáng)光并產(chǎn)生激子，將量子點(diǎn)材料作為上層，憑借高載流子遷移率迅速分離并傳輸電荷。同時(shí)，還需要注重優(yōu)化界面工程，減少電荷復(fù)合，加快電荷傳輸速度，提升發(fā)電效率，增強(qiáng)電力供應(yīng)能力，促進(jìn)新能源發(fā)電領(lǐng)域健康發(fā)展。

2.1.2材料與電池結(jié)構(gòu)匹配

不同的新型光伏材料的物理與化學(xué)性能存在差異。為提高發(fā)電效率，加強(qiáng)新型光伏材料與太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)的融合，需要在考慮這些材料物理與化學(xué)性能的基礎(chǔ)上改進(jìn)電池結(jié)構(gòu)。針對(duì)鈣鈦礦材料，鈣鈦礦材料光吸收系數(shù)高，能充分利用光能發(fā)電。同時(shí)，該材料的制備工藝難度不高，能提高材料生產(chǎn)效率，增加材料產(chǎn)量。不過，穩(wěn)定性差是該材料在太陽(yáng)能發(fā)電中的應(yīng)用短板。為發(fā)揮鈣鈦礦材料在太陽(yáng)能發(fā)電中的優(yōu)勢(shì)，規(guī)避劣勢(shì)，可以在設(shè)計(jì)太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)的過程中采取平面異質(zhì)結(jié)構(gòu)，以通過引入緩沖層的方式，增強(qiáng)鈣鈦礦與電極之間的兼容性，降低界面復(fù)合。例如，可以在鈣鈦礦層與電子傳輸層之間插入超薄的二氧化鈦致密層，便于阻擋電子與空穴的復(fù)合，提高電池的開路電壓和填充因子，保證整體發(fā)電效果。另外，可以引進(jìn)先進(jìn)的封裝技術(shù)，保護(hù)鈣鈦礦材料，避免外界水分與氧氣侵蝕材料。這樣不僅可以增強(qiáng)材料的耐久性，而且可以提高材料在太陽(yáng)能發(fā)電中的應(yīng)用水平。針對(duì)有機(jī)光伏材料，柔韌性強(qiáng)、可溶液加工是有機(jī)光伏材料的特性。但是該材料的穩(wěn)定性欠缺，也難以保證光電轉(zhuǎn)化效率。為促進(jìn)該材料與太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)的融合，提升發(fā)電效率，可以設(shè)計(jì)疊層電池結(jié)構(gòu)。其中，可以將不同吸收光譜的有機(jī)光伏材料層疊組合，以有效利用不同波段的太陽(yáng)光。在設(shè)計(jì)電池電極的過程中，可以運(yùn)用透明且導(dǎo)電性良好的柔性電極，如石墨烯電極，便于在降低電極電阻的同時(shí)充分收集電荷，增強(qiáng)有機(jī)光伏電池的性能，更好地開展太陽(yáng)能發(fā)電活動(dòng)。針對(duì)量子點(diǎn)材料，量子點(diǎn)材料具有顯著的量子尺寸效應(yīng)和高載流子遷移率。然而，該材料的制作比較復(fù)雜，不僅影響制作效率與材料產(chǎn)量，而且容易加大制作成本。基于該材料的特性，可以設(shè)計(jì)量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)，有效利用量子點(diǎn)的特性敏化寬帶隙半導(dǎo)體，如二氧化鈦，以增強(qiáng)量子點(diǎn)材料與電池結(jié)構(gòu)的匹配性，促進(jìn)光生載流子的注入和傳輸，提高發(fā)電效率。

2.2 圍繞降低成本的融合創(chuàng)新路徑

2.2.1 材料成本控制

通過在新型光伏材料與太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)融合的過程中控制材料成本，不僅可以降低太陽(yáng)能發(fā)電成本，減輕電能使用經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，而且可以推動(dòng)太陽(yáng)能發(fā)電產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。所以，在兩者融合的過程中控制材料成本具有必要性。一方面，選用低價(jià)原材料。選用低價(jià)原材料是控制新型光伏材料與太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)融合成本的重要途徑。鈣鈦礦材料的來(lái)源十分廣泛，且鉛、碘、溴等元素在自然界中具有豐富的儲(chǔ)備量。因此，在將鈣鈦礦材料與太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)融合的過程中能夠控制材料成本。為保證融合效果，降低電力運(yùn)營(yíng)資金壓力，提高電力運(yùn)營(yíng)水平，還可以對(duì)材料成本進(jìn)行進(jìn)一步控制。例如，可以合理調(diào)配鉛、碘、溴等元素的比例，以在控制材料成本的基礎(chǔ)上增強(qiáng)材料的光伏性能，為太陽(yáng)能發(fā)電工作的高效推進(jìn)提供物質(zhì)支撐。有機(jī)光伏材料多將有機(jī)化合物作為原料。為控制材料與發(fā)電成本，可以從常見的化學(xué)產(chǎn)品中提取有機(jī)化合物，以制作有機(jī)光伏材料。另一方面，優(yōu)化制備工藝。為控制新型光伏材料成本，達(dá)到光能發(fā)電降本增益的效果，還可以優(yōu)化制備工藝。以量子點(diǎn)材料為例，傳統(tǒng)的制備方法往往需要昂貴的設(shè)備，并且制備方法的流程也比較復(fù)雜。所以，在傳統(tǒng)的制備方法下難以控制量子點(diǎn)材料成本。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步、制備工藝研究力度加大，溶液法等簡(jiǎn)易制備工藝出現(xiàn)在社會(huì)公眾視野。同時(shí)，這些簡(jiǎn)易制備工藝對(duì)設(shè)備的要求低。通過將其應(yīng)用在量子點(diǎn)材料制備中可以降低材料生產(chǎn)成本。所以，需要加大這些工藝在量子點(diǎn)材料制備中的應(yīng)用力度，并持續(xù)改進(jìn)工藝，便于充分控制材料成本，增強(qiáng)太陽(yáng)能發(fā)電的經(jīng)濟(jì)可行性。

2.2.2 制造工藝改進(jìn)

為加強(qiáng)新型光伏材料與太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)融合，豐富融合成果，降低光電生產(chǎn)成本，促進(jìn)太陽(yáng)能發(fā)電事業(yè)健康發(fā)展，應(yīng)當(dāng)改進(jìn)制造工藝。在此過程中，既可以對(duì)現(xiàn)有工藝進(jìn)行優(yōu)化，又可以探索新型制造技術(shù)。在優(yōu)化現(xiàn)有工藝方面，為控制融合成本，可以優(yōu)化現(xiàn)有工藝。以晶體硅太陽(yáng)能電池制造為例，在傳統(tǒng)制絨工藝下，需要使用大量的化學(xué)試劑，消耗大量的水資源，推進(jìn)晶體硅太陽(yáng)能電池制造活動(dòng)。同時(shí)，傳統(tǒng)制絨工藝較為復(fù)雜，不利于控制晶體硅太陽(yáng)能電池制造成本。為實(shí)現(xiàn)成本控制目標(biāo)，可以改進(jìn)制絨工藝。例如，可以探索新化學(xué)試劑，提高化學(xué)反應(yīng)速率，也可以采取物理制絨方法，開展制作工作。這樣不僅可以控制制造成本，減輕制作資金壓力，而且可以提高硅片表面的絨面質(zhì)量，增強(qiáng)光的捕獲能力，提升電池轉(zhuǎn)換效率。光伏電池封裝是太陽(yáng)能制造的環(huán)節(jié)。為控制封裝成本，提高封裝效果，延長(zhǎng)電池組件的使用壽命，可以運(yùn)用更加先進(jìn)、性能強(qiáng)大的封裝設(shè)備，科學(xué)調(diào)整工藝參數(shù)。在探索新型制造技術(shù)上，在社會(huì)快速發(fā)展的背景下，也需要對(duì)新型制造技術(shù)進(jìn)行不斷地探索，為太陽(yáng)能發(fā)電制造工藝的改進(jìn)提供技術(shù)指導(dǎo)。以鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的制造為例，溶液旋涂法常被應(yīng)用在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的制造中，能夠?qū)崿F(xiàn)制造自標(biāo)。不過，該制造工藝不利于控制均勻性。新興的狹縫涂布技術(shù)不僅能夠大面積、高效率制備鈣鈦礦薄膜，而且可以提高材料利用率，降低生產(chǎn)成本。為此，可以深入研究狹縫涂布技術(shù)，加強(qiáng)此技術(shù)在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池制造中的應(yīng)用。除此之外，還可以將卷對(duì)卷印刷技術(shù)運(yùn)用在有機(jī)光伏電池制造中，以控制生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率與質(zhì)量。在現(xiàn)代社會(huì)下，可以將人工智能技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)等多種技術(shù)應(yīng)用在太陽(yáng)能電池制造中。這樣既可以促進(jìn)制造產(chǎn)業(yè)智能化發(fā)展，而且可以推動(dòng)新型光伏材料與太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)在降低成本的道路上不斷融合創(chuàng)新。

3結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，新型光伏材料為新能源發(fā)電技術(shù)，特別是太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)帶來(lái)了發(fā)展機(jī)遇。隨著能源需求量不斷增加與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略實(shí)施，更加需要加大新型光伏材料在太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)中的應(yīng)用力度。這樣不僅可以提高發(fā)電效率，增加發(fā)電量，增強(qiáng)電能供給能力，防止出現(xiàn)用電短缺的問題，而且可以應(yīng)對(duì)全球能源危機(jī)，推動(dòng)社會(huì)綠色發(fā)展。在應(yīng)用的過程中，也需要拓展兩者融合思路，加強(qiáng)兩者創(chuàng)新融合，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)的重大突破，提高新能源電力產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平，滿足社會(huì)日益增長(zhǎng)電能的需求。

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