太陽(yáng)能是僅次于水電和風(fēng)能的第三大可再生能源，已成為化石燃料強(qiáng)大的替代品。照射在地球上的陽(yáng)光是世界能源使用總量的 10,000 多倍，而收集盡可能多的太陽(yáng)能的技術(shù)正在迅速發(fā)展。自 1954 年貝爾實(shí)驗(yàn)室制造出第一塊商用硅 (Si) 太陽(yáng)能電池板以來(lái)，當(dāng)今最常見(jiàn)的技術(shù)使用不同形式的硅基太陽(yáng)能電池，那么太陽(yáng)能電池的未來(lái)創(chuàng)新材料有哪些？



根據(jù)IEA的市場(chǎng)分析，太陽(yáng)能光伏 (PV) 的發(fā)電量——將陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為電能的過(guò)程——已從 2018 年的 585 TWh 達(dá)到 2019 年的 720 TWh，預(yù)計(jì)到 2025 年將增長(zhǎng)到 1,940 TWh。目前全球最大太陽(yáng)能裝機(jī)容量592GW，占全球發(fā)電量的2.2%。

太陽(yáng)能電池的未來(lái)創(chuàng)新材料介紹：

典型的太陽(yáng)能電池包括半導(dǎo)體材料，例如具有連接到外部電路的層狀pn結(jié)的p型和n型硅組成。面板上的陽(yáng)光照射導(dǎo)致電子從硅中射出。在內(nèi)部電場(chǎng)下射出的電子產(chǎn)生通過(guò) pn 結(jié)和外部電路的流動(dòng)，從而產(chǎn)生電流。隨著市場(chǎng)的快速增長(zhǎng)和創(chuàng)造性應(yīng)用的發(fā)展，太陽(yáng)能電池的未來(lái)創(chuàng)新材料的研發(fā)正處于高峰期，以低成本實(shí)現(xiàn)最大的太陽(yáng)能發(fā)電效率。當(dāng)今三種高度研究的半導(dǎo)體材料是晶體硅、薄膜和下一代鈣鈦礦太陽(yáng)能電池 (PSC)。

一、結(jié)晶硅

晶體硅 (c-Si)是太陽(yáng)能電池板中使用最多的半導(dǎo)體材料，占據(jù)全球光伏市場(chǎng)的 90% 以上，盡管效率明顯低于理論極限（~30%）。由替代的低成本和高效材料制成的太陽(yáng)能電池正在出現(xiàn)。

國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室 (NREL) 正在推動(dòng)高效晶體光伏的開(kāi)發(fā)，其中包括 III-V 多結(jié)材料（目標(biāo)效率 >30%）和混合串聯(lián) III-V/Si 太陽(yáng)能電池。他們的六結(jié) III-V 太陽(yáng)能電池在集中光下的效率達(dá)到了 47.1%。此外，基于硅的雙面技術(shù)可以從面板的兩側(cè)收集太陽(yáng)能，與標(biāo)準(zhǔn)面板相比，效率提高了 11%。



二、薄膜

第二代薄膜太陽(yáng)能電池由于其窄設(shè)計(jì)（與標(biāo)準(zhǔn)硅面板相比光吸收層小 350 倍）、重量輕、靈活性和易于安裝而成為最有前途的光伏技術(shù)之一。通常，在其結(jié)構(gòu)中使用四種類(lèi)型的材料：碲化鎘 (CdTe)、非晶硅、銅銦鎵硒 (CIGS) 和砷化鎵 (GaAs)。雖然 CdTe 由于鎘而存在毒性問(wèn)題，但事實(shí)證明 CIGS 太陽(yáng)能電池是住宅和商業(yè)設(shè)施中更有前途的高效和經(jīng)濟(jì)選擇，效率高達(dá) 21%。



三、鈣鈦礦太陽(yáng)能電池

在下一代太陽(yáng)能電池中，混合金屬鹵化物鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（PSCs）以其低廉的價(jià)格、更薄的設(shè)計(jì)、低溫加工和優(yōu)異的光吸收性能（在低散射光下的良好性能）而受到廣泛關(guān)注。PSC 可以是靈活的、重量輕的和半透明的。值得注意的是，鈣鈦礦薄膜也可以印刷，從而實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的高通量制造，最近的卷對(duì)卷印刷 PSC 的效率已達(dá)到12.2%，是印刷 PSC 中最高的。

值得注意的是，如Oxford PV所證明的那樣，鈣鈦礦和硅光伏材料的組合在實(shí)驗(yàn)室條件下顯示出高達(dá) 28% 的創(chuàng)紀(jì)錄效率。雖然穩(wěn)定性和耐用性仍然是一個(gè)主要問(wèn)題，但最近的低成本聚合物玻璃堆疊封裝系統(tǒng)使 PSC 能夠承受標(biāo)準(zhǔn)操作條件。盡管 PSC 仍未商業(yè)化，但它們具有顯著的經(jīng)濟(jì)和效率優(yōu)勢(shì)，可以推動(dòng)太陽(yáng)能市場(chǎng)的未來(lái)發(fā)展。



有哪些突破性的集成太陽(yáng)能電池技術(shù)？

除了創(chuàng)新材料，收集更多太陽(yáng)能的創(chuàng)造性方法也在不斷涌現(xiàn)。例如，瑞士初創(chuàng)公司Insolight正在面板的保護(hù)玻璃中使用集成透鏡作為光學(xué)增強(qiáng)器，將光束聚集 200 倍，同時(shí)達(dá)到 30% 的效率。最近的另一個(gè)發(fā)展是設(shè)計(jì)熱輻射光伏設(shè)備或反向太陽(yáng)能電池板的原型，它可以利用從電池板輻射到光學(xué)耦合深空的熱量在夜間發(fā)電，該深空用作散熱器。


           （圖片顯示反向太陽(yáng)能電池板概念如何工作的圖形摘要）

有趣的是，隨著創(chuàng)新材料的出現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)屋頂安裝以外的綜合應(yīng)用也在興起，目前還處于起步階段。例如，如果有集成的膜蒸餾附件，太陽(yáng)能蒸餾可以收集太陽(yáng)能，同時(shí)利用面板散發(fā)的熱量來(lái)凈化水。

未來(lái)的另一項(xiàng)變革性技術(shù)可能是太陽(yáng)能涂料，其中包括太陽(yáng)能涂料氫（通過(guò)光伏水分解產(chǎn)生能量）、量子點(diǎn)（光伏涂料）和鈣鈦礦基涂料。此外，透明太陽(yáng)能窗是高度創(chuàng)新的應(yīng)用，Ubiquitous Energy憑借其透明材料實(shí)現(xiàn)了10%的太陽(yáng)能到電力的轉(zhuǎn)換效率。

隨著低成本、高性能半導(dǎo)體材料、節(jié)省空間的薄膜和易于安裝的技術(shù)的快速發(fā)展，太陽(yáng)能電池的未來(lái)在五年內(nèi)仍會(huì)蓬勃發(fā)展。盡管大流行造成了挫折，但到2024年太陽(yáng)能裝置的預(yù)期成本降低15% 至 35%令人鼓舞，并且可以使這種可再生能源更加實(shí)惠。