2022年太陽能電池技術(shù)進(jìn)展盤點(diǎn)

年太陽能電池技術(shù)進(jìn)展盤點(diǎn)太陽能電池轉(zhuǎn)換效率最新的世界紀(jì)錄是多少？

42.3%。這是2022年10月6日，美國Spire半導(dǎo)體公司宣布的最新成果。該公司研發(fā)的三結(jié)砷化鎵（GaAs）太陽電池峰值效率達(dá)到了42.3%，聚光條件相當(dāng)于406個(gè)太陽。

據(jù)悉，這款電池平臺(tái)已經(jīng)可以投入商業(yè)使用。

一般來說，太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率只有20%~30%。在此之前的世界紀(jì)錄是波音全資子公司Spectrolab在2022年8月生產(chǎn)出的一款試驗(yàn)電池，轉(zhuǎn)換率達(dá)到41.6%。

2022年11月22日，另一項(xiàng)新紀(jì)錄誕生。Spectrolab宣布，其開發(fā)的最新型地面用太陽電池C3MJ+已經(jīng)開頭批量生產(chǎn)，該系列太陽電池的平均光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)39.2%，這是目前已量產(chǎn)的太陽能電池中轉(zhuǎn)換效率最高的。

多結(jié)太陽能電池通常用在聚光型光伏（CPV）應(yīng)用方面。在2022年，獲得突破的不僅僅是多結(jié)太陽能電池，在太陽能技術(shù)進(jìn)展的各個(gè)方面都獲得了許多進(jìn)展。

讓太陽能電池捕獲更多陽光

提高太陽能電池轉(zhuǎn)換效率是科學(xué)家永恒的課題。目前，科研人員都在努力討論提高有機(jī)薄膜電池效率的化學(xué)過程。

如日本秋田高校的討論小組開發(fā)出了將紫外線轉(zhuǎn)換成可視光、對(duì)可視光呈透亮?????狀態(tài)的有機(jī)材料。旨在使目前太陽能電池未能有效利用的紫外線能夠用于光電轉(zhuǎn)換，以此來提高轉(zhuǎn)換效率。

據(jù)悉，將該材料涂布在非結(jié)晶Si型薄膜太陽能電池上時(shí)，轉(zhuǎn)換效率比原來的數(shù)值提高了9％，用在轉(zhuǎn)換效率為20％的太陽能電池上，有望實(shí)現(xiàn)22％的效率。

2022年還有許多從結(jié)構(gòu)上提高效率的嘗試。

如日本京瓷公司采納先進(jìn)方法形成高品質(zhì)的微晶硅，疊加非晶硅層和微晶硅層的串聯(lián)構(gòu)造的薄膜硅太陽能電池實(shí)現(xiàn)13.8％的轉(zhuǎn)換效率。

而多位美國科學(xué)家進(jìn)行了通過增加表面吸光力量提高電池效率的嘗試。

標(biāo)準(zhǔn)平板電池的問題在于，不論它是用有機(jī)還是無機(jī)材料制成的，部分陽光會(huì)通過反射損失掉。為了削減這個(gè)損失，電池制造商將電池涂上了抗反射涂層，或者蝕刻電池的表面以增加光子汲取。

美國維克森林高校的物理學(xué)教授DavidCarroll通過在構(gòu)成電池基礎(chǔ)的聚合物基質(zhì)上加上一層垂直的光纖作為陽光捕獲裝置。這層光纖像粗糙的胡子茬一樣從表面突出。陽光能從任何角度進(jìn)入光纖頂端，光子在光纖內(nèi)部彈跳，直到它們被四周的有機(jī)電池汲取。試驗(yàn)發(fā)覺，光纖大約增加了一半的太陽光汲取，理論上說，效率能超過15%。這使得有機(jī)光伏技術(shù)能夠與硅電池競爭。

佐治亞理工學(xué)院教授王中林也正在試驗(yàn)類似的以光纖為基礎(chǔ)的有機(jī)電池。他的試驗(yàn)室研發(fā)了一種含有光纖和附著在光纖外壁上的氧化鋅納米線的混合電池。盡管還沒勝利，估計(jì)這種方法能將效率提高6倍。

在最新一期《納米通訊》上，勞倫斯伯克利國家試驗(yàn)室和加州高校伯克利分校擔(dān)當(dāng)聯(lián)席職位的化學(xué)家AliJavey和他的小組報(bào)告說，他們開發(fā)的納米柱陣列的吸光性不亞于甚至超過商用薄膜太陽能電池，但只使用特別少的半導(dǎo)體材料。

Javey說:“只要2微米高，我們的納米柱陣列就能夠汲取99%的光子，波長范圍在300到900納米之間，也不必依靠任何抗反射涂層?！?/p>

還有一些討論人員致力于討論新型的抗反射太陽能電池涂層。如加州理工學(xué)院教授HarryAtwater和同事通過在納米和微觀層面精確地裁制材料結(jié)構(gòu)，制造出幾百納米厚的金屬薄膜。Atwater表示，此項(xiàng)目的目標(biāo)是使薄膜的折射率恰好等于空氣的折射率，這種物質(zhì)不會(huì)使任何光線彎曲，而會(huì)無反射地完全傳導(dǎo)。

縱觀這些方法，都是由納米微粒組成的新型表面讓太陽能電池捕獲更多陽光，來彌補(bǔ)有機(jī)薄膜太陽能電池的天生不足。

同樣是提高表面吸光率，美國一家叫做GenieLens的小型新創(chuàng)公司所研發(fā)的技術(shù)聽起來更簡潔——只需把一張透亮?????貼紙貼在太陽能電池板表面，就能增加輸出功率。該技術(shù)不僅成本低廉，還可以用到已安裝好的電池板上，并且可以應(yīng)用于任何種類的太陽能電池板——包括多晶硅和薄膜太陽能電池板。

該貼紙的表面是壓印有微觀結(jié)構(gòu)的聚合物薄膜，能夠轉(zhuǎn)變?nèi)肷涔獾姆较?，增加了陽光被汲取的幾率，提高電池效率。美國國家可再生能源試?yàn)室的測試表明，這種薄膜可以使輸出功率平均增加4%～12.5%。

另外，總部位于加利福尼亞州的Innovalight公司研發(fā)了一種壓印硅納米粒子的方法，可以提高傳統(tǒng)晶體硅太陽能電池板汲取陽光的量。

實(shí)際上，納米級(jí)的線、孔隙、凹凸塊以及其他紋理都能極大改善太陽能電池的性能。但挑戰(zhàn)在于如何擴(kuò)展到大面積區(qū)域，很多方法太簡單而且不能解決這個(gè)問題。2022年7月，斯坦福高校材料科學(xué)和工程系教授崔屹領(lǐng)導(dǎo)的討論團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了一種更簡潔、廉價(jià)的方法來制造大面積納米級(jí)紋理。

在《納米快報(bào)》上，崔屹報(bào)告他的團(tuán)隊(duì)制成了超疏水表面和概念驗(yàn)證的太陽能設(shè)備。為了制造太陽能電池，討論人員把金屬和非晶硅沉淀到凹凸不平的表面上。結(jié)果是，與使用同等數(shù)量材料的平整表面相比，它能多汲取42%的光線。崔屹盼望納米級(jí)的紋理使得用很少的材料制造高效薄膜太陽能電池成為可能。

“這項(xiàng)討論展現(xiàn)了一種簡潔但有效的方法，實(shí)現(xiàn)在大面積區(qū)域內(nèi)可控地聚集納米球?！盇liJavey說，“這可能是一條通往更高效薄膜太陽能電池的道路，而不提高成本及生產(chǎn)工藝的簡單性?！?/p>

新型太陽能電池系統(tǒng)頻出

一家名為CogenraSolar的公司