太陽能技術創(chuàng)新瞄準“轉換效率”

今年以來，全球范圍內(nèi)，圍繞太陽能行業(yè)的技術創(chuàng)新正在向“如何提高轉換效率”聚焦。

隨著全球綠色轉型加速，越來越多科研團隊、技術初創(chuàng)公司不斷加大新能源領域科研投入。今年以來，全球范圍內(nèi)，圍繞太陽能行業(yè)的技術創(chuàng)新正在向“如何提高轉換效率”聚焦。業(yè)內(nèi)認為，這些研究對于理解和開發(fā)可持續(xù)能源解決方案提供了很好借鑒，有望重新定義太陽能發(fā)電效率以及可及性。

技術創(chuàng)新層出不窮

國際可再生能源署指出，太陽能是全球增長最快的能源，自2010年以來增長約26倍。數(shù)據(jù)顯示，到2022年底，全球太陽能光伏裝機容量為1047吉瓦；2023年，全球電力增長主要來源是太陽能，連續(xù)第19年保持增長最快的電力來源地位，并連續(xù)第2年超過風能成為最大新電力來源。

基于此，全球范圍內(nèi)，在提高太陽能轉換效率方面，技術創(chuàng)新層出不窮。有科研團隊通過在傳統(tǒng)硅基太陽能電池板上添加新的過氧化物層來提高效率，這種化合物能捕捉不同波長的光，有望將轉換效率提高到30%以上。

土耳其一個科研團隊日前表示，研發(fā)了一種半球形光伏太陽能電池，在計算機模擬中，比傳統(tǒng)平板電池板多吸收66%的光。目前，這個科研團隊正在尋求制造一個原型來測試該技術。

事實上，轉換效率一直是影響太陽能發(fā)電的主要因素之一。一方面，傳統(tǒng)硅基太陽能電池板可以吸收整個可見光譜的光，但吸收能力相對較弱，而且面板必須有幾微米厚才能吸收足夠質(zhì)子來發(fā)電，這使得此類電池板異常笨重、昂貴，不僅難以放置在狹小空間里，更難與建筑物和車輛無縫集成。

另一方面，由有機染料制成的薄膜太陽能電池雖然便宜又輕巧，厚度僅為100納米，但只能吸收太陽光譜的一小部分，并不是理想的選擇。

新型系統(tǒng)捕獲更多光

德國維爾茨堡大學一個科研團隊日前研發(fā)出一種新型光收集系統(tǒng)URPB，可以吸收整個可見光范圍內(nèi)的光，進一步提升太陽能電池板轉換效率。

國際期刊《化學》報道了此次研究成果。URPB系統(tǒng)對4種不同“染料”——紫外光色、紅色、紫色和藍色，進行精確堆疊配置排列，從而更高效地捕獲紫外線、可見光和近紅外波長的光。在實驗室測試中，URPB系統(tǒng)實現(xiàn)了38%的入射光能轉化為有用能量的能量轉換效率，而單個“染料”最大轉換效率僅為3%。

不過，雖然URPB系統(tǒng)在實驗室環(huán)境中得到了驗證，并為制造更薄、更輕、更高效的太陽能電池板提供了借鑒，但仍面臨如何實現(xiàn)商業(yè)化的挑戰(zhàn)。

油價網(wǎng)指出，過去10年，太陽能電池板效率已經(jīng)從17%左右提高至22%-29%，同時，生產(chǎn)成本持續(xù)下降，每瓦太陽能電池板價格從約5美元下降到當前的不足0.5美元。

量子材料帶來新驚喜

在太陽能電池家族中，晶硅電池與薄膜電池兩大分支并駕齊驅(qū)，而鈣鈦礦電池作為薄膜電池中的佼佼者，憑借其獨特的優(yōu)勢脫穎而出。近年來，鈣鈦礦電池取得巨大進步，效率顯著提高，從2009年的3%左右提高到當前的25%以上。

今年7月，中國科學技術大學徐集賢教授團隊，成功研發(fā)出穩(wěn)態(tài)效率高達26.7%的鈣鈦礦電池，刷新了全球鈣鈦礦電池穩(wěn)態(tài)效率的世界紀錄。

事實上，由于鈣鈦礦電池的高性能和低生產(chǎn)成本，業(yè)內(nèi)一直對其前景持樂觀態(tài)度。不過，目前大多數(shù)鈣鈦礦電池檢測都是在實驗室中進行的。

值得一提的是，鈣鈦礦電池研發(fā)開始向量子領域延展。國際期刊《科學進展》報道稱，4月，美國理海大學研究人員開發(fā)出一種原子級厚度的量子材料——銅摻雜鍺硒/硫化錫異質(zhì)結構復合材料，外量子效率達到了前所未有的190%，可以將63%的陽光能量轉換為電能，遠遠超過了33.7%的肖克利-奎伊瑟效率理論極限，該理論極限認為，在標準測試條件下，單結太陽能電池的理論最高效率不會超過33.7%。

據(jù)悉，這一研究主要應用了在太陽能電池和超導態(tài)研究中具有重要意義的中間能帶態(tài)?這一概念，其涉及材料電子結構內(nèi)的特定能級，這些能級位于最佳子帶隙內(nèi)，使得材料能夠有效地吸收太陽光并產(chǎn)生載流子，從而提高太陽能轉換效率。

這種量子材料限制了電子和空穴的自由運動，從而減少了電子和空穴的產(chǎn)熱結合，可以讓電池板產(chǎn)生更多電能。美國理海大學研究人員表示，目前，商業(yè)太陽能電池板轉換效率大約在15%-20%，如果全部換成這種量子材料電池板，全球太陽能發(fā)電量有望在目前基礎上實現(xiàn)較大提升。

（文章來源：中國能源報）