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世界上轉(zhuǎn)化效率最高的串聯(lián)太陽能電池，由硅基電池和鈣鈦礦疊層構(gòu)成。

上周四，Science刊發(fā)題為《串聯(lián)有力量》的重要文章，介紹科學家如何通過疊層方法，將大約三分之一的太陽光轉(zhuǎn)化為電能，從而創(chuàng)紀錄地提升了太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率。

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鈣鈦礦，新能源的“藍光”

硅基疊層鈣鈦礦電池結(jié)構(gòu)

今天的光伏組件所使用的硅基電池，正在迅速接近其將陽光轉(zhuǎn)化為電能的最大轉(zhuǎn)換率天花板—— 29%。

經(jīng)過世界各地多個研究小組的創(chuàng)新，太陽能電池已經(jīng)突破了30%光電轉(zhuǎn)換效率的重要門檻。一位專家表示，這一壯舉，將使今年有望成為“革命性”的一年。

上周四，《科學》雜志專門介紹了沙特阿拉伯的兩位科學家如何使鈣鈦礦-硅串聯(lián)太陽能電池的功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）達到>30%的方法。

KAUST 研究科學家 Erkan Aydin 博士展示了他和研究人員團隊開發(fā)的鈣鈦礦/硅串聯(lián)太陽能電池。圖片：阿卜杜拉國王科技大學

提高太陽能電池效率的一種方法是對其進行優(yōu)化，使其適應寬光譜的太陽光，以將其轉(zhuǎn)化為電能。在這種情況下，串聯(lián)太陽能電池可以包括吸收高能光子的頂部電池和吸收低能光子的底部電池。這種器件可以被制造為多層的堆疊，其中頂部和底部電池彼此互連。將鈣鈦礦太陽能電池和硅太陽能電池單片集成到串聯(lián)器件中，是以可承受的成本實現(xiàn)高性能光伏的一條有前途的途徑。

鈣鈦礦疊層電池的突破，在于在硅層頂部添加了一層鈣鈦礦（另一種半導體）。鈣鈦礦負責捕獲可見光譜中的藍光，而硅捕獲紅光，從而增加了捕獲的總光量。由于每個電池吸收的能量更多，太陽能發(fā)電的成本將會更低，并且裝機可以更快地進行。

鈣鈦礦-硅“串聯(lián)”電池的研究，到目前已經(jīng)進行了大約十年，但最近的技術(shù)改進，已突破 30%的轉(zhuǎn)化效率門檻。專家表示，如果串聯(lián)電池的生產(chǎn)規(guī)模能夠順利地擴大，它們可能會在未來五年內(nèi)投入商業(yè)使用。

“今年是革命性的一年，”文章共同作者、沙特阿拉伯阿卜杜拉國王科技大學的斯特凡·德沃爾夫（Stefaan De Wolf）教授說�！傲钊伺d奮的是，多個團體的事情正在迅速進展。”

由德國亥姆霍茲柏林材料與能源中心的Steve Albrecht 教授領(lǐng)導的一個研究小組，現(xiàn)已發(fā)布了有關(guān)如何將硅鈣鈦礦電池的效率提高到 32.5% 的信息。

瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院的 Xin Yu Chin 博士領(lǐng)導的另一個小組展示了31.25% 的效率，并表示串聯(lián)電池具有“高效率和低制造成本的潛力”。

“這兩個小組所展示的確實具有里程碑意義，”德沃爾夫說。他自己的團隊在 6 月份利用串聯(lián)電池實現(xiàn)了 33.7% 的效率，但尚未在期刊上發(fā)表結(jié)果。所有效率測量均經(jīng)過了獨立驗證。

“突破 30% 的門檻讓我們對將高性能、低成本光伏產(chǎn)品推向市場充滿信心，”德沃爾夫說道。到 2022 年，全球太陽能發(fā)電容量已達到 1.2 太瓦 (TW)�！叭欢�，為了避免與全球變暖相關(guān)的災難性情景，到 2050 年總?cè)萘啃枰�增加到約 75 太瓦，”他說。

太陽能行業(yè)也是高效率競賽的一部分。

全球最大的太陽能電池生產(chǎn)商——隆基綠能6月份宣布，他們的研究成果已達到33.5%�！敖档投入姵杀�，是推動光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的永恒主題�！甭』�股份總裁李振國表示。

“這個行業(yè)的發(fā)展速度非常非�？�，”德沃爾夫說。“我確信中國有多家公司正在致力于此�！� 他表示，歐洲和美國需要增加研發(fā)資金，以跟上太陽能發(fā)電的加速發(fā)展并為其做出貢獻。

迄今為止，所有效率超過30%的高效串聯(lián)電池都很小，尺寸為1cm×1cm。它們現(xiàn)在需要擴大到商業(yè)電池的尺寸，即15 平方厘米。

英國公司牛津光伏（Oxford PV）在今年5 月份宣布，其商業(yè)規(guī)模電池的效率達到創(chuàng)紀錄的 28.6%，這意味著擴大規(guī)模已經(jīng)開始。

牛津光伏（Oxford PV）首席技術(shù)官 Chris Case 表示：“太陽能已經(jīng)是最便宜、最清潔的能源形式之一，我們的技術(shù)將使其變得更加經(jīng)濟實惠�！迸＝蚬夥�的電池與傳統(tǒng)硅基電池在同一生產(chǎn)線上制造，這使得串聯(lián)電池的大規(guī)模生產(chǎn)變得更加容易。

有待解決的一個問題是，串聯(lián)電池在現(xiàn)實條件下隨著時間的推移降解的速度有多快。如今的太陽能電池在 25 年后仍具有 80-90% 的轉(zhuǎn)化能力，德沃爾夫表示，串聯(lián)電池必須與此相匹配，但迄今為止有關(guān)其穩(wěn)定性的數(shù)據(jù)有限。

德國和瑞士的串聯(lián)電池提高效率的關(guān)鍵，是解決了鈣鈦礦層表面的微小缺陷。這些允許太陽光子釋放的一些電子流回鈣鈦礦，而不是對電池的電流做出貢獻，從而降低其效率。解決方案是在鈣鈦礦和電流流過的導電層之間放置一層有機分子，從而補償缺陷。

德沃爾夫說，值得注意的是，所有團隊都使用不同的方法來解決這個問題，為尋找最佳商業(yè)設(shè)計提供了更多選擇。“還有很大的進步空間，”他說。“我認為實際限制遠遠超過 35%�！�

目前還有其他技術(shù)，例如多結(jié)電池，其效率高達 47%，但這些技術(shù)的生產(chǎn)成本非常昂貴，并且僅適用于特定用途，例如衛(wèi)星使用的空天光伏。

02

雙結(jié)電池，光伏的未來

可能很多人對雙結(jié)電池感覺很陌生。其實，HJT和鈣鈦礦組合而成的疊層電池，就是最常見的雙結(jié)電池。

如果不考慮成本，只考慮沖刺實驗室數(shù)據(jù)的話，光伏電池的“結(jié)”數(shù)，理論上可以有很多，轉(zhuǎn)化效率的天花板也很難摸到。

六結(jié)太陽能電池的發(fā)明者科學家John Geisz（左）和Ryan France

早在2020年4月，美國國家可再生能源實驗室 (NREL) 的科學家們就創(chuàng)造了一種六結(jié)太陽能電池，轉(zhuǎn)化效率高達 47.1%，這是上面提到的、迄今為止的光伏電池最高紀錄。

我們都知道單結(jié)晶硅電池的效率極限是28.7%。但是近兩年世界各地的知名實驗室多次爆出電池轉(zhuǎn)換效率超過30%的新聞。其中包括：

2021年，美國能源部國家可再生能源實驗室 (NREL) 和新南威爾士大學的研究人員創(chuàng)造了一種具有兩個吸光層的電池，可以把32.9% 的陽光轉(zhuǎn)變成電。

2022年9月，荷蘭應用科學研究組織（TNO）、代爾夫特理工大學、埃因霍溫理工大學和比利時研究機構(gòu)Imec將半透明鈣鈦礦太陽能電池與晶體硅相結(jié)合，實現(xiàn)了30.1% 的功率轉(zhuǎn)換效率。該電池也是四端串聯(lián)配置的太陽能電池。

今年4月，阿卜杜拉國王科技大學 (KAUST) 的Erkan Aydin?開發(fā)出一種新型太陽能電池，創(chuàng)下33.2% 的功率轉(zhuǎn)換效率。雙面串聯(lián)太陽能電池在頂部有鈣鈦礦電池，在底部有紋理硅。

由KAUST開發(fā)的新型破鈣鈦礦疊層太陽能電池

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下一代電池技術(shù)的主戰(zhàn)場

今年6月14日，隆基綠能在德國舉行的Intersolar Europe 2023上正式宣布，經(jīng)歐洲太陽能測試機構(gòu)ESTI權(quán)威認證，隆基綠能在商業(yè)級絨面CZ硅片上實現(xiàn)了晶硅-鈣鈦礦疊層電池33.5%的轉(zhuǎn)換效率。

在5月24日，隆基綠能在上海的SNEC光伏展上宣布了其在商業(yè)級絨面CZ硅片上實現(xiàn)了晶硅-鈣鈦礦疊層電池31.8%的轉(zhuǎn)換效率，該效率創(chuàng)造了世界前三、中國第一的紀錄。

今年5月19日，一道新能源與澳大利亞新南威爾士大學（UNSW）共同啟動大于35%效率SFOS超高效新型太陽電池研發(fā)。其結(jié)構(gòu)是以一道新能高效硅電池作為平臺電池，在電池表面疊加具有單重態(tài)裂變特性的新型光電轉(zhuǎn)換薄膜材料，形成激子倍增生成過程，使太陽電池的量子效率超過100%。SFOS理論最高效率可以超過40%。

天合光能在2022年年報中披露：公司聚焦高效鈣鈦礦/晶硅疊層電池技術(shù)的研究，已取得了一定的研究成果，經(jīng)國際權(quán)威認證機構(gòu)第三方測試：2022年7月，小面積鈣鈦礦/晶體硅兩端疊層太陽能電池實驗室效率達到27.9%，實驗室技術(shù)研發(fā)水平處于國內(nèi)領(lǐng)先地位，入選2022太陽電池中國最高效率；2022年12月，效率已提升至29.2%。

趕碳號此前專門介紹過，協(xié)鑫科技在鈣鈦礦技術(shù)方面已經(jīng)取得相對領(lǐng)先優(yōu)勢。在晶科能源今年的業(yè)績發(fā)布會上，董事長李仙德介紹，鈣鈦礦電池是公司重要的在研項目，并認為“鈣鈦礦未來將是突破晶硅電池效率極限的主要途徑”。通威股份、晶澳科技等也均有研發(fā)布局。

在全球科學家與光伏企業(yè)共同努力下，鈣鈦礦疊層電池的商業(yè)化也許不會太遙遠，希望就像德沃爾夫教授所預測的，只要五年時間。

END

       原文標題 : Science：串聯(lián)有力量！