太阳电池近期研发进展

刘春娜

近日，有消息称，电动汽车制造商特斯拉将成为首家太阳能充电锂电池制造商与销售商，其设计的太阳能充电电池可供家用和商用，为此特斯拉成立了新部门——特斯拉能源。特斯拉认为，其开发的新型Powerwall家用储能电池以及商用电池系统Powerpack，将有助于全球实现从化石燃料向可持续能源的转变。Powerwall是一种固定在墙面上的电池，利用太阳能实现家庭供电，也可为低用能设备供电。家庭用电池组Powerwall的尺寸为高130厘米、宽86厘米、厚18厘米，该电池有多种颜色可选，并提供10年质保，可在用电低峰时自动储电，并在高峰时段为家用设备供电。通常，太阳能板发电超出需求的部分将以折扣价进入电网，家用或商业用户可在下次需要时购买。在太阳能源不充足和停电的情况下，新型电池可通过应急储备为用户供电。太阳电池系统还能为电网之外的家用设备、商用设备以及其他装置供电。特斯拉电池公共事业版本将推出100 kWh电池组，组合容量可达500 kWh至10 MWh，可通过并网发电双向转换器实现2~4 h的持续供电。同时，电池组还能满足多种公用规模供电。

不只是特斯拉对太阳电池兴趣盎然，下面一些研究机构在最近一段时期也对太阳电池的研发充满了热情。

日本Kaneka太阳电池厂已携手韩国成均馆大学的研发团队研发出可大幅提高太阳电池面板光电转换率的新技术，该技术可将太阳电池转换效率提升至全球最高的28%水准，和现在量产的高效率太阳电池面板相比高出4成，且Kaneka计划在早期内完善量产体制，目标为在美国等市场抢下大单；目前民用太阳电池面板转换率全球最高水准为Panasonic制造的25.6%。据Kaneka表示，和现行主流的太阳电池面板(转换率约20%)相比，在相同的日照条件下，采用Kaneka新技术的面板发电量可多出4成以上。Kaneka期望依靠上述新技术扩大太阳电池事业版图。

日本国立物质材料研究机构(NIMS)研发的钙钛矿太阳电池的能源转换效率记录首次得到了国际标准测试机构的认可，转换效率达到15%。钙钛矿太阳电池自2009年首次作为太阳电池材料公开以来，转换效率迅速提高，作为新一代太阳电池受到了全球的关注。由于可以在基板和薄膜上涂布制造，利用印刷技术量产，能较以往的太阳电池大幅降低制造成本。此前报道过的钙钛矿太阳电池的转换效率，基本都是以小面积电池单元(约0.1 cm2)获得的数值。2014年有过转换效率20.1%(单元面积为0.095 5 cm2)的报道，但由于单元面积较小，测量误差大，而且测量方法也未公开。NIMS的研发小组通过改良发电层使用的钙钛矿的涂布方法，控制了表面的凹凸，提高了转换效率及其再现性。另外，电荷(载流子)输送层的材料以前吸湿性较高，会很快导致转换效率降低，因此新开发了吸湿性低、载流子迁移率高的材料，成功改善了稳定性。基于这些成果，将太阳电池单元的面积扩大到了1 cm2以上，并通过改良元件的制作方法，使钙钛矿太阳电池首次在产业技术综合研究所光伏发电研究中心评估标准小组的测试中实现了15%的转换效率。NIMS表示，今后将以该成果为基础，开发性能更高的载流子运输材料，并通过控制钙钛矿太阳电池的界面，实现更高的转换效率。

美国麻省理工学院(MIT)和斯坦福大学的研究人员联合试制出了由单晶硅太阳电池和钙钛矿太阳电池层叠而成的串联结构的太阳电池。虽然转换效率还不够高，只有13.7%，但双方制定了转换效率达到29%的目标，预计最终有可能超过35%。如果目标得以实现，这将制造出转换效率高且制造成本低的太阳电池。对钙钛矿太阳电池而言，可用于发电的光波长区域稍偏向于短波长区。而对硅类太阳电池而言，长波长的可见光和近红外线更有助于发电。因此，研究人员普遍认为：将两者组合起来，可以使用更广泛波长的光和近红外线，能制造出效率远超过现有硅类太阳电池的太阳电池。最早尝试将两者组合在一起的是MIT。MIT试制出了顶层单元采用钙钛矿太阳电池、底层单元采用单晶硅太阳电池的串联结构的太阳电池。据介绍，以前也有将钙钛矿太阳电池和硅类太阳电池简单重叠的例子，但是分别导出电力。这次是第一次将两种太阳电池做成一个整体元件。目前试制出的串联结构的太阳电池转换效率只有13.7%的原因主要是：(1)MIT等制作的单晶硅太阳电池和钙钛矿太阳电池因元件优化不充分，各太阳电池的单体性能都很低；(2)钙钛矿太阳电池中的电流特别小，整个元件的电流值有限等。关于(1)，单晶硅太阳电池单体的转换效率为13.8%，钙钛矿太阳电池单体的转换效率为13.5%。MIT认为此次试制的串联结构太阳电池，如果采用优化技术，使各太阳电池达到最高效率，那么此电池的转换效率将达到29.0%。目前面临的课题是寻找作为钙钛矿太阳电池主要材料之一的铅(Pb)的替代材料以及改善其容易劣化、元件寿命较短的缺点。

布朗大学研究人员研发出一种制造太阳电池所用的吸光钙钛矿薄膜的新方法。制造钙钛矿薄膜有不同方法，但大部分都要使用热力。将钙钛矿的前驱物质化学品溶解在一种液体里，之后涂在一片基质上。加热把溶液移除后，留在基质上的钙钛矿晶体便形成一片薄膜。布朗大学的研究人员找到了不必加热的方法，即溶液-溶液抽除法来制造钙钛矿薄膜。这种方法是利用室温溶剂浸泡来制造钙钛矿晶体，取代现时结晶所用的加热法。研究人员先把钙钛矿前驱物质溶在NMP溶剂中并涂在基质上，之后取代加热的是把基质浸泡在第二种溶剂乙醚中来选择性地抽走NMP溶剂。该方法可以精准控制生产出大面积高质量结晶薄膜，并有望成为日后量产钙钛矿太阳电池的方向。

美国宾州州立大学宣布开发出了厚度仅1 cm、无需外置太阳追踪装置的聚光式光伏发电(CPV)电池板技术。利用此技术，人们可以在个人住宅的房顶设置CPV电池板。研究人员利用3D打印机制作了直径为12.7 mm 的树脂制小型聚光镜，在两枚聚光镜之间设置了约1 mm2的多结化合物太阳电池。太阳电池贴在透明的树脂板上，连同树脂板一起朝着与太阳移动轨迹相反的方向移动。聚光镜之间的距离为1～2 mm，包括聚光镜在内的电池板厚度约为1 cm。两枚聚光镜中，上部聚光镜作为普通的凸透镜，下部聚光镜作为凹面镜发挥作用。研究人员设计的聚光镜使穿过上部聚光镜的太阳光被下部聚光镜反射，正好在太阳电池单元的位置成像。考虑到太阳光最强的波长在一天中会变化，他们还设计了聚光镜的曲率。正午前后太阳光从聚光镜正面入射时，将聚光镜的曲率优化为蓝色光的波长，在早上和傍晚太阳光斜着入射聚光镜时，优化为红色光。据介绍，电池单元一天的移动距离约为1 cm，每天可实现8 h的太阳能发电。理论上的聚光倍率高达200倍以上。但由于研究人员实际制作的电池板由于3D打印机的制作精度较低，聚光倍率只有100倍以上。此外，多结化合物太阳电池的发电效率虽然是普通Si类太阳电池的2倍或2倍以上，但价格高达相同面积Si类太阳电池的100倍以上。因此，其用途仅限于人造卫星、太阳能汽车挑战赛以及CPV系统等。

美国密歇根州立大学研究人员开发出一种高透明的太阳电池。由于电池中有机材料仅吸收红外以及紫外光线，整个模块难以被人类肉眼识别。太阳电池的原理在于将太阳光中的太阳能转化为电能，因此，太阳电池透明度越高，能源转换效率则将随之越低。倘若组件完全透明，能源转换率便下降至零。在此之前，最先进的研发成果是半透明太阳电池。而如今，密歇根州立大学研究人员通过研究并利用人类肉眼无法识别的光线，成功地开发出了完全透明的太阳电池。若发展良好，透明太阳电池便有望代替传统玻璃，镶嵌在建筑物窗户上，节约空间的同时产生电能，并且丝毫不影响个人感官。电池薄膜由有机盐分子构成，可以吸收人类肉眼无法察觉的太阳能光谱。研究人员进行了多次尝试，才最终找到了仅仅吸收紫外和近红外光的材料。这次创新为产品带来了极大的灵活性。即使是在技术的早期开发阶段，组件便已具备能够迅速、大规模、低成本生产的潜力。不仅是建筑物窗户，甚至一切玻璃制品如电脑、电视屏幕以及移动电话都可以运用该技术。当然，在技术真正投产之前，很多问题仍然有待完善。例如，目前研发出的太阳电池转化率仅有1%。研究人员预计，优化材料结构后，发电率将有望超过5%。虽然发电效率不及半透明太阳电池高，然而，凭借得天独厚的完全透明性，足以保障产品无孔不入，弥补效率弱势。

瑞典Sol Voltaics公司使用一种砷化镓纳米线阵列(GaAs NWA)，提高了太阳电池转换效率。经过Fraunhofer-ISE的独立验证，Sol Voltaics已经证明，GaAs NWA太阳电池的转换效率为15.3%。这是迄今报道的III-V族纳米线阵列太阳电池的最高效率，是以前的砷化镓纳米线阵列技术转换效率的一倍。对于光伏应用，控制原生GaAs表面状态的高密度至关重要，这些结果证明，Sol Voltaic公司已经解决了太阳电池纳米线生长中的这个挑战。公司的砷化镓纳米线的效率，是其低成本薄膜的重要方面。使用Sol Voltaic的纳米线生产方法，使得其III-V族薄膜能够以具有竞争性的成本进行生产。公司正期待着与产业中的合作伙伴一起把该技术用到硅电池中，以争取把效率跃升到27%甚至更高。

俄罗斯约飞技术研究所(Ioffe Technologies Institute)成功制成异质结太阳电池组件的工业原型，该组件由超薄晶体硅层构成。样品显示，该产品转换效率超过20%，并且在系统整个区域都展现了良好的再现性。据约飞研究所发布的声明称，近年来，此类太阳电池的效率已取得了重大突破，如今实验室样品的转换效率已经达到25.6%，这已经超越了同类晶体硅结构组件的转化效率水平。约飞研究所称，上述研究成果已经得到应用，位于新切博克萨尔斯克(Novocheboksarsk)的Xevel工厂将利用该项技术升级其光伏组件技术路线。

俄罗斯托木斯克国立大学(Tomsk State University，TSU)正在研发一种新型柔性太阳电池，可用于多种用途。科学家们表示正与俄罗斯科研机构、本土企业的同事们联手合作研发一种新型柔性太阳电池——Graetzel电池(也称染料敏化太阳电池)，可用于多种用途。TSU预计该电池将更轻便、更价廉，主要采用创新型材料氧化物纳米材料及它们的组合物。科学家表示，捕获氧化物的解决方案适用于任何柔性材料，例如薄型玻璃、布料、金属以及聚合物材质。经高温曝晒之后，材料表面形成超薄复合镀层——能够将太阳光转换成电力。TSU称，这项新技术可运用于各种不同的领域，例如家务活动、农业及国防工业。生产这类材料的技术复杂性主要源于所有制造工艺均具有必要性，且需要非常低的温度环境，直至氧化物纳米颗粒与它们的氧化物形成。此举可令纳米粒子在阳光下附着于纹理结构。该电池可以被卷起，还可用于创造能够利用太阳能发热的布料。此类布料非常适合于在北极或严峻工作条件下工作的人。这类电池对太阳的辐射度非常敏感，可在恶劣天气下发电，哪怕是阴雨天。

总而言之，太阳电池在研发方面的每一个微小进步，都将有助于这一清洁能源拓展其更广泛的应用领域，有助于其健康、快速地发展。