新型光伏材料與新能源發電技術的融合創新

中圖分類號：TM614 文獻標志碼：A 文章編號：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

新能源發電技術是指利用新能源進行電能生產的技術，而太陽能發電技術是新能源發電技術的一大類型。新型光伏材料的發展與進步不僅能夠提高太陽能發電效率，降低太陽能發電成本，而且能夠拓展太陽能發電技術的應用場景，滿足社會各領域對電能的需求，助推社會健康發展。因此，應當高度重視新型光伏材料。同時，還需要深人研究新型光伏材料與太陽能發電技術的關系，探究新型光伏材料與太陽能發電技術融合創新的方法與手段，以提高新型光伏材料在太陽能發電中的利用率，保證材料應用效果，促進太陽能發電產業高質量發展，推動國家能源結構向著綠色、可持續的方向發展。

新型光伏材料與太陽能發電技術概述

1.1新型光伏材料類型與特性

為提高太陽能發電效果，助力太陽能發電產業發展，科研人員對光伏材料進行了研究與開發，推動了光伏材料創新。鈣鈦礦材料、有機光伏材料、量子點材料是新型光伏材料的類型，也是材料科技創新成果的具體體現。

鈣鈦礦材料具有獨特的晶體結構，其化學式通式為ABX。該材料在太陽能發電中主要具有以下特性：一是光吸收系數極高。通過利用鈣鈦礦材料開展太陽能發電活動，能充分吸收太陽光，提升光電轉換效率。目前，實驗室測試的鈣鈦礦材料對太陽光的吸收率已經超過了25% 。二是制備工藝簡單、成本低。可運用溶液旋涂法這種簡單與低成本的技術制作鈣鈦礦材料。雖然在鈣鈦礦材料太陽能發電領域具有一些優勢特性，但是也存在應用劣勢之處。例如，鈣鈦礦材料穩定性欠佳，易受水分、溫度影響，限制了其大規模應用。有機光伏材料是一類由有機分子構成的光伏材料，具有可溶液加工的特性。同時，還具有具備良好的柔韌性，可制成柔性光伏器件，拓展應用場景。另外，材料來源廣泛，如小分子有機化合物、共軛聚合物、富勒烯和鈣鈦礦材料等均是制作有機光伏材料。由于這些材料的價格并不高，所以還可以降低有機光伏材料的制作成本。不過，有機光伏材料的光電轉換效率目前低于傳統無機材料，且穩定差、壽命短。量子點材料是一種納米級半導體材料，具有顯著的量子尺寸效應，能通過調節尺寸精確控制吸收光譜，提高對不同波長光的利用率。此外，量子點材料的載流子遷移率高，在促進電荷傳輸、提高發電效率方面發揮著重要作用。然而，材料合成工藝復雜，制作成本高，且在大規模制備和穩定性方面存在挑戰。

表1新型光伏材料類型與特性

1.2太陽能發電技術原理

1.2.1 光伏發電技術

太陽能發電技術包括光伏發電技術。該技術依靠半導體材料使太陽能轉換為電能，而技術的基本原理如圖1所示。半導體材料構成PN結兩側，隨著載流子的互相擴散形成了中間的空間電荷區，即W區。通過觀察圖1可發現，W區域相較于P、N區域來講寬度小。W區域產生電場（E）的重要區域。此電場能阻擋很多載流子持續向對方區域擴散，不過能使一些特殊的載流子擴散到對方區域。基于此電場的特性，其難以形成電流、輸出電能，滿足人們對電能的需求。但是在光照的條件下此電場能產生非平衡電子，并促使P區的電子向N區移動。隨著電子的移動，N區的電子量得到顯著增加，P區的電子量則得到相應的減少，產生大量的空穴。N區與P區電子量的變化會增加一個電場電場 ΔE_ph 與電場 E_i 的方向背道而馳。在這2個不同電場的作用下，PN結兩者之間會形成點動勢。通過將電路連接，則可以產生電流輸出電能，形成太陽能光伏電池。僅靠單個光伏電池并不能產生足夠的電能，不利于提高電能供應能力。但是通過將無數個光伏電池串聯與組裝，就可以在光照的作用下加強電流輸出，提高電力生產能力，增強電力供給能力，滿足人們在生產與生活中對電力的需求。

圖1光伏發電技術的原理

1.2.2 光熱發電技術

光熱發電技術是通過將太陽能的光能轉化為熱能，并將熱能轉化為電能的技術。光-熱轉化和熱-電轉化是該技術在能源轉化、發電中的原理。其一，光-熱轉化。將太陽光吸收是將光能轉化為熱能的前提。由于光吸收性質強的材料能提高對光的吸收率，所以在發電設備中運用光吸收性質強的材料將光能吸收。在光吸收后，材料中的電子獲得光子能量而被激發，從低能級躍遷到高能級。處于高能級的電子不穩定，會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動加劇。這樣材料中的溫度會出現升高，實現光能到熱能的轉化。其二，熱-電轉化。傳熱媒介、熱發電器件、發電輸出在熱能與電能轉化中發揮著重要作用。傳熱媒介將吸收的熱能帶入熱發電器件，而熱發電器件，如熱電材料會基于熱電效應，即通過溫差驅動材料中的電荷運動，繼而產生電流。在將電路與熱發電器件相連接后，電流、電壓就可以被輸出與使用。

2新型光伏材料與太陽能發電技術的融合創新路徑

2.1基于提升效率的融合創新路徑

2.1.1 材料結構優化

由于鈣鈦礦材料、有機光伏材料、量子點材料是重要的新型光伏材料，影響太陽能發電效果，所以本研究主要從這3個材料方面對材料與太陽能發電技術的融合進行探究。為保證新型光伏材料與太陽能發電技術的融合效果，提高發電效率，有必要優化新型光伏材料的結構。鈣鈦礦材料屬于晶體結構。為提高光電轉換效率，增強發電的穩定性，更好地推廣與應用鈣鈦礦材料，發展電力事業，應當在制備鈣鈦礦材料的過程中精確調控生長參數，如控制溫度、溶液濃度等，減少晶體缺陷，保證材料制備質量4。在加強新型光伏材料與太陽能發電技術融合的過程中，還可以設計復合結構。有機光伏材料可溶液加工、柔韌性強，量子點材料載流子遷移率高、對不同波長光利用率高。為提高復合結構構建水平，可以將以上2種材料應用在復合結構設計中。其中，可以將有機光伏材料作為底層，以初步吸收太陽光并產生激子，將量子點材料作為上層，憑借高載流子遷移率迅速分離并傳輸電荷。同時，還需要注重優化界面工程，減少電荷復合，加快電荷傳輸速度，提升發電效率，增強電力供應能力，促進新能源發電領域健康發展。

2.1.2材料與電池結構匹配

不同的新型光伏材料的物理與化學性能存在差異。為提高發電效率，加強新型光伏材料與太陽能發電技術的融合，需要在考慮這些材料物理與化學性能的基礎上改進電池結構。針對鈣鈦礦材料，鈣鈦礦材料光吸收系數高，能充分利用光能發電。同時，該材料的制備工藝難度不高，能提高材料生產效率，增加材料產量。不過，穩定性差是該材料在太陽能發電中的應用短板。為發揮鈣鈦礦材料在太陽能發電中的優勢，規避劣勢，可以在設計太陽能電池結構的過程中采取平面異質結構，以通過引入緩沖層的方式，增強鈣鈦礦與電極之間的兼容性，降低界面復合。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合，提高電池的開路電壓和填充因子，保證整體發電效果。另外，可以引進先進的封裝技術，保護鈣鈦礦材料，避免外界水分與氧氣侵蝕材料。這樣不僅可以增強材料的耐久性，而且可以提高材料在太陽能發電中的應用水平。針對有機光伏材料，柔韌性強、可溶液加工是有機光伏材料的特性。但是該材料的穩定性欠缺，也難以保證光電轉化效率。為促進該材料與太陽能發電技術的融合，提升發電效率，可以設計疊層電池結構。其中，可以將不同吸收光譜的有機光伏材料層疊組合，以有效利用不同波段的太陽光。在設計電池電極的過程中，可以運用透明且導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充分收集電荷，增強有機光伏電池的性能，更好地開展太陽能發電活動。針對量子點材料，量子點材料具有顯著的量子尺寸效應和高載流子遷移率。然而，該材料的制作比較復雜，不僅影響制作效率與材料產量，而且容易加大制作成本。基于該材料的特性，可以設計量子點敏化太陽能電池結構，有效利用量子點的特性敏化寬帶隙半導體，如二氧化鈦，以增強量子點材料與電池結構的匹配性，促進光生載流子的注入和傳輸，提高發電效率。

2.2 圍繞降低成本的融合創新路徑

2.2.1 材料成本控制

通過在新型光伏材料與太陽能發電技術融合的過程中控制材料成本，不僅可以降低太陽能發電成本，減輕電能使用經濟負擔，而且可以推動太陽能發電產業可持續發展。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，選用低價原材料。選用低價原材料是控制新型光伏材料與太陽能發電技術融合成本的重要途徑。鈣鈦礦材料的來源十分廣泛，且鉛、碘、溴等元素在自然界中具有豐富的儲備量。因此，在將鈣鈦礦材料與太陽能發電技術融合的過程中能夠控制材料成本。為保證融合效果，降低電力運營資金壓力，提高電力運營水平，還可以對材料成本進行進一步控制。例如，可以合理調配鉛、碘、溴等元素的比例，以在控制材料成本的基礎上增強材料的光伏性能，為太陽能發電工作的高效推進提供物質支撐。有機光伏材料多將有機化合物作為原料。為控制材料與發電成本，可以從常見的化學產品中提取有機化合物，以制作有機光伏材料。另一方面，優化制備工藝。為控制新型光伏材料成本，達到光能發電降本增益的效果，還可以優化制備工藝。以量子點材料為例，傳統的制備方法往往需要昂貴的設備，并且制備方法的流程也比較復雜。所以，在傳統的制備方法下難以控制量子點材料成本。隨著科學技術的發展與進步、制備工藝研究力度加大，溶液法等簡易制備工藝出現在社會公眾視野。同時，這些簡易制備工藝對設備的要求低。通過將其應用在量子點材料制備中可以降低材料生產成本。所以，需要加大這些工藝在量子點材料制備中的應用力度，并持續改進工藝，便于充分控制材料成本，增強太陽能發電的經濟可行性。

2.2.2 制造工藝改進

為加強新型光伏材料與太陽能發電技術融合，豐富融合成果，降低光電生產成本，促進太陽能發電事業健康發展，應當改進制造工藝。在此過程中，既可以對現有工藝進行優化，又可以探索新型制造技術。在優化現有工藝方面，為控制融合成本，可以優化現有工藝。以晶體硅太陽能電池制造為例，在傳統制絨工藝下，需要使用大量的化學試劑，消耗大量的水資源，推進晶體硅太陽能電池制造活動。同時，傳統制絨工藝較為復雜，不利于控制晶體硅太陽能電池制造成本。為實現成本控制目標，可以改進制絨工藝。例如，可以探索新化學試劑，提高化學反應速率，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量，增強光的捕獲能力，提升電池轉換效率。光伏電池封裝是太陽能制造的環節。為控制封裝成本，提高封裝效果，延長電池組件的使用壽命，可以運用更加先進、性能強大的封裝設備，科學調整工藝參數。在探索新型制造技術上，在社會快速發展的背景下，也需要對新型制造技術進行不斷地探索，為太陽能發電制造工藝的改進提供技術指導。以鈣鈦礦太陽能電池的制造為例，溶液旋涂法常被應用在鈣鈦礦太陽能電池的制造中，能夠實現制造自標。不過，該制造工藝不利于控制均勻性。新興的狹縫涂布技術不僅能夠大面積、高效率制備鈣鈦礦薄膜，而且可以提高材料利用率，降低生產成本。為此，可以深入研究狹縫涂布技術，加強此技術在鈣鈦礦太陽能電池制造中的應用。除此之外，還可以將卷對卷印刷技術運用在有機光伏電池制造中，以控制生產成本，提高生產效率與質量。在現代社會下，可以將人工智能技術、物聯網技術、計算機技術和信息技術等多種技術應用在太陽能電池制造中。這樣既可以促進制造產業智能化發展，而且可以推動新型光伏材料與太陽能發電技術在降低成本的道路上不斷融合創新。

3結束語

綜上所述，新型光伏材料為新能源發電技術，特別是太陽能發電技術帶來了發展機遇。隨著能源需求量不斷增加與可持續發展戰略實施，更加需要加大新型光伏材料在太陽能發電技術中的應用力度。這樣不僅可以提高發電效率，增加發電量，增強電能供給能力，防止出現用電短缺的問題，而且可以應對全球能源危機，推動社會綠色發展。在應用的過程中，也需要拓展兩者融合思路，加強兩者創新融合，實現太陽能發電技術的重大突破，提高新能源電力產業發展水平，滿足社會日益增長電能的需求。

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