效率更佳的新型太陽能電池

更高的太陽能效率即將到來。

太陽能在危機(jī)中找到了發(fā)展的良機(jī)。在世界上許多天空未受污染的地方，用于將光能轉(zhuǎn)化為電能的光伏發(fā)電站將變得更加可靠、更具效率。與此同時(shí)，由于需求下降，燃煤和燃?xì)獍l(fā)電站被迫關(guān)停。2020年4月20日，英國的太陽能發(fā)電量達(dá)到9.7千兆瓦的峰值。當(dāng)時(shí)，這一發(fā)電量占該國電力供應(yīng)總量的30%，所占比例相當(dāng)于平時(shí)的10倍。在德國，在4月份的某一整周時(shí)間，太陽能所占比例達(dá)到23%，而2019年的平均占比約為8%。

盡管這些數(shù)據(jù)并非常態(tài)，但足以給人留下深刻印象。它們表明，太陽能技術(shù)已經(jīng)日臻成熟。盡管太陽能的表現(xiàn)讓人耳目一新，但在某種程度上，這仍然屬于舊技術(shù)的勝利。

20世紀(jì)50年代，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室制造出首個(gè)具有實(shí)用價(jià)值的太陽能電池，其能源效率為6%，但售價(jià)極為昂貴。然而，在接踵而來的太空競賽中，它確實(shí)被證明是超級大國在為衛(wèi)星提供動(dòng)力方面的殺手锏。人們?yōu)榇粟呏酊F。

隨著技術(shù)的發(fā)展，太陽能電池成本逐漸降低，效率也提高了，達(dá)到17%～20%，應(yīng)用范圍也因此擴(kuò)大。如今，電網(wǎng)管理人員面對過剩的產(chǎn)能，更傾向于使用太陽能而非化石燃料發(fā)電。不過，盡管太陽能電池在細(xì)節(jié)上有了改進(jìn)，但其作用原理依然保持不變。它們由兩層超純（99.999 9%）硅組成。在硅層中加入添加劑后，超純硅成為可吸收光線的半導(dǎo)體材料，利用光能使電子穿過兩層超純硅之間的結(jié)合處，從而產(chǎn)生電流。

標(biāo)準(zhǔn)太陽能發(fā)電廠可生產(chǎn)達(dá)到電網(wǎng)規(guī)模的電力，因此可能會繼續(xù)沿用這一構(gòu)造。但許多人認(rèn)為，太陽能的潛能可以更大。一些人希望大刀闊斧地對太陽能發(fā)電廠進(jìn)行重新設(shè)計(jì)；而另一些人則認(rèn)為太陽能的應(yīng)用領(lǐng)域較小，無需與電網(wǎng)連通。無論是哪一種方案，其所需的效率都是當(dāng)前的標(biāo)準(zhǔn)硅無法企及的，而實(shí)現(xiàn)方案所需的電池則都存在售價(jià)高昂的問題。

“夾心蛋糕”

提高電池效率的方法之一是增加能夠捕捉太陽能光譜不同部分的材料層，這意味著要將原材料從硅擴(kuò)大到其他材料，如III-V族半導(dǎo)體材料，即由元素周期表中的III族元素（鋁、鎵和銦）和V族元素（磷和砷）制成的材料。實(shí)際上，砷化鎵已經(jīng)實(shí)現(xiàn)在衛(wèi)星等領(lǐng)域的應(yīng)用。美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室的約翰·蓋茨（John Geisz）及其同事研制出一種六結(jié)電池，其中含有多種III-V混合物，每一種都具有不同的光吸收特性。在實(shí)驗(yàn)室條件下，這種電池的效率高達(dá)47.1%。2020年4月，這項(xiàng)新的紀(jì)錄發(fā)表在《自然-能源》上。研究人員認(rèn)為，如果繼續(xù)研究，效率應(yīng)該可以達(dá)到50%以上。

由于蓋茨博士研制的電池可以聚合更多光線，其效率也隨之提高。而在標(biāo)準(zhǔn)太陽能發(fā)電廠，電池的發(fā)電效率略低于40%。當(dāng)它受到相當(dāng)于143個(gè)太陽的光照時(shí)，這個(gè)數(shù)字是47%。大體說來，鏡面排列合理、可聚集太陽光的六結(jié)電池，產(chǎn)生的電量與標(biāo)準(zhǔn)硅電池相當(dāng)，而后者的占地面積為前者的400倍。這些得益于顛覆性技術(shù)的突破。

還有一種有望用于制造新型太陽能電池的材料是鈣鈦礦。1839年，人們在烏拉爾山脈發(fā)現(xiàn)了一種鈦酸鈣礦物質(zhì)，并以俄羅斯礦物學(xué)家列夫·別羅夫斯基（Lev Perovski）伯爵的名字為其命名。通常，礦物的基本晶格可以由多種原子構(gòu)成。因此，鈣鈦礦現(xiàn)在已經(jīng)成為這類礦物的通用名稱。

并非所有鈣鈦礦都可用作半導(dǎo)體材料。但是，一種由錫等金屬和氯、溴或碘等鹵素構(gòu)成的材料，同樣具有這種性質(zhì)。此外，此類金屬鹵化物鈣鈦礦產(chǎn)量豐富，售價(jià)低廉。牛津光伏公司是利用鈣鈦礦制造電池的領(lǐng)先企業(yè)之一。這家英國公司成立于2010年，他們希望能進(jìn)一步開發(fā)牛津大學(xué)克拉倫登實(shí)驗(yàn)室物理學(xué)教授亨利·斯內(nèi)斯（Henry Snaith）有關(guān)鈣鈦礦的研究成果。該公司研發(fā)的材料為混合結(jié)構(gòu)，被稱為串聯(lián)太陽能電池，其硅層用鈣鈦礦涂覆。

這樣做有兩大好處。其一，像多層III-V族電池一樣，鈣鈦礦-硅串聯(lián)電池在捕捉陽光時(shí)各司其職。上面的鈣鈦礦層吸收光譜中藍(lán)色一端的光線，下面的硅層將吸收移向紅色的一端的剩余波長光線，從而達(dá)到提高效率的目的。在2018年的一次測試中，這種串聯(lián)電池創(chuàng)造了該類電池的新紀(jì)錄——效率達(dá)28%。該公司的工程師們認(rèn)為，他們可以將這一數(shù)字提高至35%左右。

在硅層涂覆鈣鈦礦層的第二個(gè)好處是，采用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)工藝很容易將電池制成太陽能電池板。這有助于使其在與傳統(tǒng)太陽能電池板競爭中保持競爭力。目前，德國有一家生產(chǎn)此類新型太陽能電池板的新工廠正在建設(shè)之中，該工廠生產(chǎn)的首批太陽能電池板有望在2021年上市。

35%左右的效率是否足以取代硅電池在現(xiàn)有市場中的地位？這一點(diǎn)尚待觀察。不過，鈣鈦礦的一些應(yīng)用可能是硅無法做到的。例如，前者可以在低光強(qiáng)度下發(fā)揮重要作用。得益于此，意大利羅馬托爾維加塔大學(xué)的托馬斯·布朗（Thomas Brown）和德國弗勞恩霍夫研究所德累斯頓分院的約翰·法爾泰希（John Fahlteich）領(lǐng)導(dǎo)的研究小組開發(fā)出在建筑內(nèi)部正常照明條件下工作的太陽能電池。盡管人工照明產(chǎn)生的能量要比太陽光少得多，但在《細(xì)胞報(bào)告-物理科學(xué)》（Cell Reports Physical Science）上發(fā)表的一篇論文中，布朗博士和法爾泰希博士表示，他們研發(fā)的電池可以達(dá)到22.6%的轉(zhuǎn)化效率，產(chǎn)生的電量足以使無線傳感器和遙控裝置等原本需要電池供電的小型低功耗設(shè)備正常運(yùn)行。

室內(nèi)的人工照明最初由電產(chǎn)生，因此將其轉(zhuǎn)化為電力的做法似乎有些奇怪。但事實(shí)上，所有那些沒有進(jìn)入人眼的光線都被浪費(fèi)了，所以這種方法不過是減少了資源浪費(fèi)。隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，這種方法的應(yīng)用范圍可能會不斷拓展，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展依賴于眾多不同類型的傳感器、無線控制系統(tǒng)和其他電子設(shè)備，如果該方法能夠有效，那么“不含電池”的標(biāo)簽將會從警告變成推薦。

資料來源 The Economist