效率更佳的新型太阳能电池

更高的太阳能效率即将到来。

太阳能在危机中找到了发展的良机。在世界上许多天空未受污染的地方，用于将光能转化为电能的光伏发电站将变得更加可靠、更具效率。与此同时，由于需求下降，燃煤和燃气发电站被迫关停。2020年4月20日，英国的太阳能发电量达到9.7千兆瓦的峰值。当时，这一发电量占该国电力供应总量的30%，所占比例相当于平时的10倍。在德国，在4月份的某一整周时间，太阳能所占比例达到23%，而2019年的平均占比约为8%。

尽管这些数据并非常态，但足以给人留下深刻印象。它们表明，太阳能技术已经日臻成熟。尽管太阳能的表现让人耳目一新，但在某种程度上，这仍然属于旧技术的胜利。

20世纪50年代，美国贝尔实验室制造出首个具有实用价值的太阳能电池，其能源效率为6%，但售价极为昂贵。然而，在接踵而来的太空竞赛中，它确实被证明是超级大国在为卫星提供动力方面的杀手锏。人们为此趋之若鹜。

随着技术的发展，太阳能电池成本逐渐降低，效率也提高了，达到17%～20%，应用范围也因此扩大。如今，电网管理人员面对过剩的产能，更倾向于使用太阳能而非化石燃料发电。不过，尽管太阳能电池在细节上有了改进，但其作用原理依然保持不变。它们由两层超纯（99.999 9%）硅组成。在硅层中加入添加剂后，超纯硅成为可吸收光线的半导体材料，利用光能使电子穿过两层超纯硅之间的结合处，从而产生电流。

标准太阳能发电厂可生产达到电网规模的电力，因此可能会继续沿用这一构造。但许多人认为，太阳能的潜能可以更大。一些人希望大刀阔斧地对太阳能发电厂进行重新设计；而另一些人则认为太阳能的应用领域较小，无需与电网连通。无论是哪一种方案，其所需的效率都是当前的标准硅无法企及的，而实现方案所需的电池则都存在售价高昂的问题。

“夹心蛋糕”

提高电池效率的方法之一是增加能够捕捉太阳能光谱不同部分的材料层，这意味着要将原材料从硅扩大到其他材料，如III-V族半导体材料，即由元素周期表中的III族元素（铝、镓和铟）和V族元素（磷和砷）制成的材料。实际上，砷化镓已经实现在卫星等领域的应用。美国国家可再生能源实验室的约翰·盖茨（John Geisz）及其同事研制出一种六结电池，其中含有多种III-V混合物，每一种都具有不同的光吸收特性。在实验室条件下，这种电池的效率高达47.1%。2020年4月，这项新的纪录发表在《自然-能源》上。研究人员认为，如果继续研究，效率应该可以达到50%以上。

由于盖茨博士研制的电池可以聚合更多光线，其效率也随之提高。而在标准太阳能发电厂，电池的发电效率略低于40%。当它受到相当于143个太阳的光照时，这个数字是47%。大体说来，镜面排列合理、可聚集太阳光的六结电池，产生的电量与标准硅电池相当，而后者的占地面积为前者的400倍。这些得益于颠覆性技术的突破。

还有一种有望用于制造新型太阳能电池的材料是钙钛矿。1839年，人们在乌拉尔山脉发现了一种钛酸钙矿物质，并以俄罗斯矿物学家列夫·别罗夫斯基（Lev Perovski）伯爵的名字为其命名。通常，矿物的基本晶格可以由多种原子构成。因此，钙钛矿现在已经成为这类矿物的通用名称。

并非所有钙钛矿都可用作半导体材料。但是，一种由锡等金属和氯、溴或碘等卤素构成的材料，同样具有这种性质。此外，此类金属卤化物钙钛矿产量丰富，售价低廉。牛津光伏公司是利用钙钛矿制造电池的领先企业之一。这家英国公司成立于2010年，他们希望能进一步开发牛津大学克拉伦登实验室物理学教授亨利·斯内斯（Henry Snaith）有关钙钛矿的研究成果。该公司研发的材料为混合结构，被称为串联太阳能电池，其硅层用钙钛矿涂覆。

这样做有两大好处。其一，像多层III-V族电池一样，钙钛矿-硅串联电池在捕捉阳光时各司其职。上面的钙钛矿层吸收光谱中蓝色一端的光线，下面的硅层将吸收移向红色的一端的剩余波长光线，从而达到提高效率的目的。在2018年的一次测试中，这种串联电池创造了该类电池的新纪录——效率达28%。该公司的工程师们认为，他们可以将这一数字提高至35%左右。

在硅层涂覆钙钛矿层的第二个好处是，采用标准工业工艺很容易将电池制成太阳能电池板。这有助于使其在与传统太阳能电池板竞争中保持竞争力。目前，德国有一家生产此类新型太阳能电池板的新工厂正在建设之中，该工厂生产的首批太阳能电池板有望在2021年上市。

35%左右的效率是否足以取代硅电池在现有市场中的地位？这一点尚待观察。不过，钙钛矿的一些应用可能是硅无法做到的。例如，前者可以在低光强度下发挥重要作用。得益于此，意大利罗马托尔维加塔大学的托马斯·布朗（Thomas Brown）和德国弗劳恩霍夫研究所德累斯顿分院的约翰·法尔泰希（John Fahlteich）领导的研究小组开发出在建筑内部正常照明条件下工作的太阳能电池。尽管人工照明产生的能量要比太阳光少得多，但在《细胞报告-物理科学》（Cell Reports Physical Science）上发表的一篇论文中，布朗博士和法尔泰希博士表示，他们研发的电池可以达到22.6%的转化效率，产生的电量足以使无线传感器和遥控装置等原本需要电池供电的小型低功耗设备正常运行。

室内的人工照明最初由电产生，因此将其转化为电力的做法似乎有些奇怪。但事实上，所有那些没有进入人眼的光线都被浪费了，所以这种方法不过是减少了资源浪费。随着物联网的发展，这种方法的应用范围可能会不断拓展，物联网的发展依赖于众多不同类型的传感器、无线控制系统和其他电子设备，如果该方法能够有效，那么“不含电池”的标签将会从警告变成推荐。

资料来源 The Economist