第Ⅱ部分 鎢在新能源電池市場的介紹
第十一章 鎢在太陽能電池中的應用
鎢作爲一種具有優(yōu)異性能的材料，在太陽能電池製造中有著廣泛的應用。據(jù)中鎢在綫瞭解，光伏用鎢絲是這幾年在太陽能電池領域的應用中較火的一種産品，它不僅能有效提高電池的光電轉化效率，還能降低光伏矽片的損耗。
中國光伏行業(yè)金剛綫用鎢絲市場研究報告圖片
中鎢在綫銷售30微米光伏用鎢絲圖片
除了鎢絲能應用于太陽能電池中外，鎢薄膜、氧化鎢、二硫化鎢、二硒化鎢、鎢酸鹽（如鎢酸鎘）、鎢基合金等鎢産品也能很好應用于太陽能電池中。其中，鎢薄膜具有高透過率、高反射率和良好的導電性能等特點，能夠有效地提高太陽能電池的光吸收效率和光電轉換效率。鎢基合金具有高強度、高熔點和高耐腐蝕性等特點，能夠在惡劣環(huán)境下保持穩(wěn)定的性能，因此被用作太陽能電池邊框和連接材料。
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太陽能電池，也稱爲光伏電池，是一種能夠直接將太陽能轉換成電能的裝置，是由半導體材料製成的，其核心是將太陽光的能量轉換爲電能。它的輸出功率取決于其製造材料、工藝和環(huán)境條件。
太陽能電池的工作原理基于光伏效應，即當太陽光照射在半導體材料上時，光子的能量會激發(fā)電子從價帶躍遷到導帶，從而産生電子-空穴對。電子和空穴分別被半導體材料的負極和正極收集，形成電流。具體來說，太陽光照射在太陽能電池上時，光子的能量大于或等于半導體材料的禁帶寬度時，電子從價帶躍遷到導帶，産生電子-空穴對。電子和空穴分別被半導體材料的負極和正極收集，形成電流。此電流就是我們通常所說的“光伏電流”。
太陽能電池的優(yōu)點：（1）可再生能源：太陽能是一種可再生能源，使用太陽能電池可以減少對化石燃料的依賴，降低環(huán)境污染。（2）無噪音：太陽能電池工作時沒有機械運動，不會産生噪音，對周圍環(huán)境無影響。（3）壽命長：太陽能電池的壽命一般在20年以上，使用中不需要特別的維護，節(jié)省了維修費用。（4）節(jié)能環(huán)保：生産太陽能電池的過程不需要燃燒燃料，不排放污染物，符合環(huán)保要求。（5）適用範圍廣：除了大規(guī)模幷網(wǎng)發(fā)電外，太陽能電池還可以用于太陽能路燈、光伏電站、太陽能熱水器等領域。
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太陽能電池的缺點：（1）受天氣影響：太陽能電池的發(fā)電量受天氣影響較大，陰雨天或冬季陽光不足時發(fā)電量會明顯降低。（2）占地面積大：爲了獲得足夠的電量，需要大面積安裝太陽能電池板，占地面積較大。（3）成本高：目前太陽能電池的成本仍較高，尤其是高效能晶體矽電池。（4）能量密度低：相對于其他能源形式，太陽能的能量密度較低，需要較大的面積才能獲得足夠的能量。（5）需要傾斜安裝：爲了更好地接收太陽光，太陽能電池需要安裝在傾斜的支架上，增加了安裝難度和成本。（6）儲能困難：由于太陽能的不穩(wěn)定性和間歇性，儲能技術尚不成熟，難以實現(xiàn)穩(wěn)定供電。
太陽能電池的應用領域：（1）幷網(wǎng)發(fā)電：將太陽能電池與電網(wǎng)相連，將産生的電能直接輸送到電網(wǎng)中供用戶使用。這是目前應用最廣泛的領域。（2）獨立發(fā)電：在沒有電網(wǎng)供電的地區(qū)或特殊場合（如衛(wèi)星、遠洋平臺等），使用太陽能電池進行發(fā)電，爲用戶提供電能。（3）光伏電站：將大量太陽能電池板集中安裝在一個地方，形成光伏電站，用于大規(guī)模幷網(wǎng)發(fā)電。（4）分布式能源系統(tǒng)：將太陽能電池與儲能設備相結合，形成分布式能源系統(tǒng)，在電力需求高峰時釋放存儲的能量供用戶使用。（5）通訊設施：太陽能電池可以爲通訊設施提供電力，如衛(wèi)星、氣象觀測站、遠程無綫通訊設備等。（6）農(nóng)業(yè)應用：太陽能電池在農(nóng)業(yè)領域也有廣泛應用，如太陽能灌溉系統(tǒng)、太陽能溫室、太陽能殺蟲燈等，爲農(nóng)業(yè)提供可持續(xù)發(fā)展的解決方案。（7）環(huán)保與城市景觀：太陽能電池還可以用于環(huán)保和城市景觀建設，如太陽能路燈、太陽能公園座椅、太陽能垃圾處理設施等，既滿足城市基礎設施建設需求，又實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的目的。（8）能源儲存：結合儲能技術，太陽能電池可以將白天收集的能量儲存起來，用于夜間或陰雨天的電力供應，保證能源的持續(xù)穩(wěn)定供應。
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隨著全球氣候變化和能源危機的加劇，可再生能源的開發(fā)和利用越來越受到重視。太陽能電池作爲一種重要的可再生能源技術，在全球範圍內得到了廣泛的應用和發(fā)展。目前，光伏發(fā)電已成爲全球增長速度最快的能源行業(yè)之一。中國的太陽能電池産業(yè)在全球市場中占據(jù)重要地位，國內光伏發(fā)電裝機容量持續(xù)增長，技術水平不斷提高，成本逐漸降低。同時，各國政府也紛紛出臺相關政策，鼓勵和支持太陽能電池的應用和研發(fā)。
未來，隨著技術的進步和成本的降低，太陽能電池的應用前景將更加廣闊。一方面，光伏發(fā)電的效率和可靠性將得到進一步提升，能夠更好地滿足不同領域和場景的能源需求；另一方面，太陽能電池的儲能技術將得到改進和完善，能夠實現(xiàn)更長時間和更大規(guī)模的能源儲存，提高能源利用效率和穩(wěn)定性。此外，隨著智能電網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，太陽能電池將與各種能源形式相互補充，形成多元化的能源供應體系，爲全球能源結構的優(yōu)化和可持續(xù)發(fā)展做出更大的貢獻。
11.1 氧化鎢在太陽能電池中的應用
氧化鎢（WOx）是一種無機化合物，是一種寬帶隙半導體材料，具有直接帶隙，這意味著它能夠高效地將吸收的光能轉化爲電能。此外，氧化鎢還具有良好的化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，使其能夠在惡劣的環(huán)境條件下保持性能。
在太陽能電池中，氧化鎢的應用優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
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（1）高光吸收係數(shù)：氧化鎢對可見光和近紅外光具有高吸收係數(shù)，這意味著它可以有效地吸收太陽光，幷將其轉換爲電能。
（2）寬帶隙：氧化鎢的寬帶隙使得它能夠在高溫條件下工作，幷且能夠有效防止光致衰退，從而提高太陽能電池的穩(wěn)定性。
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（3）透明導電性：氧化鎢具有較高的光學透過率和良好的導電性能，使得它可以用作窗口層材料，既能夠讓太陽光透過，又能夠收集電流。
（4）化學穩(wěn)定性：氧化鎢不易受環(huán)境中的水分、氧氣和其他化學物質的影響，使其成爲一種非常穩(wěn)定的材料，能夠在各種環(huán)境條件下保持性能。
（5）低製造成本：與傳統(tǒng)的矽基太陽能電池相比，使用氧化鎢作爲光吸收層的太陽能電池可以采用溶液法等方法製備，成本較低。
總之，氧化鎢在太陽能電池中具有廣泛的應用前景。隨著技術的不斷進步和研究的深入開展，相信氧化鎢會在未來的太陽能電池領域發(fā)揮更加重要的作用。
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11.1.1 太陽能電池正面銀漿用三氧化鎢
11.1.2 太陽能電池用氧化鎢薄膜
11.1.3 太陽能電池用氧化鎢的挑戰(zhàn)
11.2 二硫化鎢在太陽能電池中的應用
11.2.1 太陽能電池光活性層用二硫化鎢
太陽能電池的光活性層是直接參與光電轉換的區(qū)域，其作用是將太陽光轉化爲電能。光活性層通常位于太陽能電池的頂部，能夠吸收太陽光幷産生光生載流子（電子和空穴）。這些載流子隨後被收集幷傳輸?shù)诫姌O，形成電流。
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來自日本東北大學的一組研究團隊利用氧化銦錫（ITO）作爲透明電極和二硫化鎢（WS2）作爲光活性層創(chuàng)造了一種近乎看不見的太陽能電池板。
WS2是過渡金屬二氯化物（TMD）材料家族的一員，科學家們聲稱，由于其在可見光範圍內可接受的帶隙和單位厚度上最大的吸收共效率，它是近乎看不見的太陽能電池的最佳選擇。據(jù)《光伏雜志》報道，ITO-WS2的連接是通過將ITO濺射到石英襯底上，幷使用化學氣相沉積（CVD）技術生長WS2單層而形成的。
通過在ITO（Mx/ITO）上面塗抹各種薄金屬幷在Mx/ITO和單層二硫化鎢之間引入一層薄的WO3，調整了WS2和ITO之間的接觸屏障。結果，肖特基勢壘高度急劇增加（高達220 meV），有可能提高肖特基型太陽能電池中電荷載流子分離的效率。
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研究人員發(fā)現(xiàn)，采用優(yōu)化電極（WO3/Mx/ITO）的太陽能電池的電力轉換效率比采用普通ITO電極的裝置高出1000多倍。研究人員計算出，一個具有極高的平均可見光透射值（79%）的1cm2太陽能電池，通過在這個具有適量串聯(lián)和幷聯(lián)的優(yōu)化單元裝置上重複實驗，其總功率可能提高到420pW。
此外，二硫化鎢作爲光活性層材料在太陽能電池中還具有許多優(yōu)點：（1）高光電轉換效率：WS2具有直接帶隙，能夠高效地將吸收的光能轉化爲電能。其寬帶隙特性使其在可見光和近紅外光範圍內具有高吸收係數(shù)，從而提高太陽能電池的光電轉換效率。（2）穩(wěn)定性：WS2具有良好的化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，能夠在各種環(huán)境條件下保持性能。它不易受空氣中的水分、氧氣和其他化學物質的影響，能夠在長時間內保持性能的穩(wěn)定性。（3）高光學透過率：WS2具有高光學透過率，允許太陽光有效地穿透光活性層幷被吸收。這有助于提高太陽能電池的光吸收能力，從而提高光電轉換效率。（4）可調帶隙：通過改變WS2的合成條件，可以調整其帶隙，從而優(yōu)化太陽能電池的光電轉換效率。這種可調性使得WS2成爲一種靈活的材料，可以應用于不同類型和結構的太陽能電池。
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總之，二硫化鎢作爲太陽能電池的光活性層材料具有許多優(yōu)點，包括高光電轉換效率、穩(wěn)定性、高光學透過率、可調帶隙、低成本以及與其他材料的兼容性。這些優(yōu)點使得WS2成爲一種有前途的光活性層材料，有助于推動太陽能電池技術的進一步發(fā)展。
爲了實現(xiàn)二硫化鎢在太陽能電池中的最佳應用，還需要對其光活性層的設計和製備工藝進行深入研究。例如，優(yōu)化WS2的晶體結構和形貌可以提高其光電性能；探索與其他材料的複合方式可以進一步增強光活性層的性能。此外，對WS2在太陽能電池中的長期穩(wěn)定性和耐候性也需要進行評估和改進。
隨著技術的不斷進步和研究的深入開展，相信二硫化鎢作爲光活性層材料在太陽能電池領域的應用將得到進一步拓展。這有望爲太陽能電池技術的發(fā)展帶來新的突破，促進清潔能源的廣泛應用和可持續(xù)發(fā)展。
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11.2.2 太陽能電池空穴傳輸層用二硫化鎢納米膜
11.2.3 太陽能電池用二硫化的挑戰(zhàn)
11.3 二硒化鎢在太陽能電池中的應用
11.3.1太陽能電池導電層用二硒化鎢
太陽能電池是一種利用光能轉換爲電能的裝置，其工作原理主要是通過光生電效應將太陽光轉化爲直流電。在太陽能電池中，導電層是一個非常重要的組成部分，它主要起到傳輸電流的作用。
導電層的作用是將電池內部的光生電流傳輸?shù)酵獠侩娐分?，以供使用。同時，導電層還需要能夠有效地反射太陽光，以減少光的吸收損失，從而提高電池的光電轉換效率。
爲了滿足這些要求，導電層的材料需要具備高導電性和良好的光學性能。常用的導電層材料包括金屬導體（如金、銀、銅等）、本征半導體（如矽、鍺等）以及摻雜的半導體（如n型和p型矽）。這些材料在導電性能和光學性能方面各有優(yōu)缺點。
太陽能電池圖片
以金屬導體爲例，它具有高導電性，但反射性能相對較差，容易吸收太陽光。而半導體材料雖然反射性能較好，但其導電性能相對較低。因此，在實際應用中，需要根據(jù)具體需求選擇合適的導電層材料。
當二硒化鎢作爲導電層時，它表現(xiàn)出一些獨特的優(yōu)點。首先，WSe2具有較高的導電性能，能夠有效地傳輸電流。其次，WSe2的反射性能較好，可以減少光的吸收損失，從而提高電池的光電轉換效率。此外，WSe2還具有較好的化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，能夠在各種環(huán)境條件下保持穩(wěn)定的性能。
與傳統(tǒng)材料相比，二硒化鎢作爲導電層可以彌補其一些不足。例如，相對于金屬導體，WSe2的反射性能更好，可以減少光的吸收損失；相對于半導體材料，WSe2的導電性能更高，能夠更好地傳輸電流。此外，WSe2還具有較好的機械強度和韌性，可以在製造過程中實現(xiàn)更好的加工性能和穩(wěn)定性。
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四川大學王澤高等研究者（專利文檔序號30756717）提出了一種以二硒化鎢爲導電層的柵極調控太陽能電池，所提供的二硒化鎢太陽能電池極具成爲柔性太陽能電池的潛力，相較于現(xiàn)有的太陽能電池，具有更長的壽命、更高的穩(wěn)定性；比現(xiàn)有二硒化鎢太陽能電池操作更簡便、成本更低，具有更高的研發(fā)性價比。
四川大學研究者製作的二硒化鎢太陽能電池包括基底材料、二硒化鎢、頂柵介質材料、頂柵電極、源電極和漏電極，WSe2導電層位于基底材料表面，源電極和漏電極位于WSe2兩端；該太陽能電池還包括頂柵介質材料和頂柵電極，頂柵介質材料位于WSe2上方幷覆蓋二硒化鎢、源電極和漏電極，頂柵電極位于頂柵介質材料上方作爲頂部。
四川大學研究者采用的技術手段是，對現(xiàn)有的局部柵極控制的二硒化鎢太陽能電池，采用具有厚度差的柵介質層和透明頂柵電極，以取代含溝道的局部柵極。恰當?shù)剡x擇柵壓的方向和大小，能使同一塊WSe2産生不同類型的摻雜，形成p-n結。所以，采用的含厚度差的柵介質層將起到絕緣和同時産生不同類型摻雜的雙重作用；采用的頂柵介質材料爲透明六方氮化硼，頂柵電極爲透明石墨烯，使得頂柵電極和頂柵介質材料盡可能小地對光照射造成阻礙，增加WSe2導電層對光的吸收量。
四川大學研究者製作的二硒化鎢太陽能電池的操作比現(xiàn)在有的二硒化鎢太陽能電池的操作更簡便，生産成本更低，這主要是由于溝道的製作不需要用到光刻機進行光刻。
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11.3.2太陽能電池用二硒化鎢的挑戰(zhàn)
11.4 鎢酸鎘在太陽能電池中的應用
11.4.1 太陽能電池用鎢酸鎘
11.4.2 太陽能電池用鎢酸鎘的挑戰(zhàn)
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