效率更佳的新型太陽能電池

更高的太陽能效率即將到來。

太陽能在危機中找到了發展的良機。在世界上許多天空未受污染的地方，用于將光能轉化為電能的光伏發電站將變得更加可靠、更具效率。與此同時，由于需求下降，燃煤和燃氣發電站被迫關停。2020年4月20日，英國的太陽能發電量達到9.7千兆瓦的峰值。當時，這一發電量占該國電力供應總量的30%，所占比例相當于平時的10倍。在德國，在4月份的某一整周時間，太陽能所占比例達到23%，而2019年的平均占比約為8%。

盡管這些數據并非常態，但足以給人留下深刻印象。它們表明，太陽能技術已經日臻成熟。盡管太陽能的表現讓人耳目一新，但在某種程度上，這仍然屬于舊技術的勝利。

20世紀50年代，美國貝爾實驗室制造出首個具有實用價值的太陽能電池，其能源效率為6%，但售價極為昂貴。然而，在接踵而來的太空競賽中，它確實被證明是超級大國在為衛星提供動力方面的殺手锏。人們為此趨之若鶩。

隨著技術的發展，太陽能電池成本逐漸降低，效率也提高了，達到17%～20%，應用范圍也因此擴大。如今，電網管理人員面對過剩的產能，更傾向于使用太陽能而非化石燃料發電。不過，盡管太陽能電池在細節上有了改進，但其作用原理依然保持不變。它們由兩層超純（99.999 9%）硅組成。在硅層中加入添加劑后，超純硅成為可吸收光線的半導體材料，利用光能使電子穿過兩層超純硅之間的結合處，從而產生電流。

標準太陽能發電廠可生產達到電網規模的電力，因此可能會繼續沿用這一構造。但許多人認為，太陽能的潛能可以更大。一些人希望大刀闊斧地對太陽能發電廠進行重新設計；而另一些人則認為太陽能的應用領域較小，無需與電網連通。無論是哪一種方案，其所需的效率都是當前的標準硅無法企及的，而實現方案所需的電池則都存在售價高昂的問題。

“夾心蛋糕”

提高電池效率的方法之一是增加能夠捕捉太陽能光譜不同部分的材料層，這意味著要將原材料從硅擴大到其他材料，如III-V族半導體材料，即由元素周期表中的III族元素（鋁、鎵和銦）和V族元素（磷和砷）制成的材料。實際上，砷化鎵已經實現在衛星等領域的應用。美國國家可再生能源實驗室的約翰·蓋茨（John Geisz）及其同事研制出一種六結電池，其中含有多種III-V混合物，每一種都具有不同的光吸收特性。在實驗室條件下，這種電池的效率高達47.1%。2020年4月，這項新的紀錄發表在《自然-能源》上。研究人員認為，如果繼續研究，效率應該可以達到50%以上。

由于蓋茨博士研制的電池可以聚合更多光線，其效率也隨之提高。而在標準太陽能發電廠，電池的發電效率略低于40%。當它受到相當于143個太陽的光照時，這個數字是47%。大體說來，鏡面排列合理、可聚集太陽光的六結電池，產生的電量與標準硅電池相當，而后者的占地面積為前者的400倍。這些得益于顛覆性技術的突破。

還有一種有望用于制造新型太陽能電池的材料是鈣鈦礦。1839年，人們在烏拉爾山脈發現了一種鈦酸鈣礦物質，并以俄羅斯礦物學家列夫·別羅夫斯基（Lev Perovski）伯爵的名字為其命名。通常，礦物的基本晶格可以由多種原子構成。因此，鈣鈦礦現在已經成為這類礦物的通用名稱。

并非所有鈣鈦礦都可用作半導體材料。但是，一種由錫等金屬和氯、溴或碘等鹵素構成的材料，同樣具有這種性質。此外，此類金屬鹵化物鈣鈦礦產量豐富，售價低廉。牛津光伏公司是利用鈣鈦礦制造電池的領先企業之一。這家英國公司成立于2010年，他們希望能進一步開發牛津大學克拉倫登實驗室物理學教授亨利·斯內斯（Henry Snaith）有關鈣鈦礦的研究成果。該公司研發的材料為混合結構，被稱為串聯太陽能電池，其硅層用鈣鈦礦涂覆。

這樣做有兩大好處。其一，像多層III-V族電池一樣，鈣鈦礦-硅串聯電池在捕捉陽光時各司其職。上面的鈣鈦礦層吸收光譜中藍色一端的光線，下面的硅層將吸收移向紅色的一端的剩余波長光線，從而達到提高效率的目的。在2018年的一次測試中，這種串聯電池創造了該類電池的新紀錄——效率達28%。該公司的工程師們認為，他們可以將這一數字提高至35%左右。

在硅層涂覆鈣鈦礦層的第二個好處是，采用標準工業工藝很容易將電池制成太陽能電池板。這有助于使其在與傳統太陽能電池板競爭中保持競爭力。目前，德國有一家生產此類新型太陽能電池板的新工廠正在建設之中，該工廠生產的首批太陽能電池板有望在2021年上市。

35%左右的效率是否足以取代硅電池在現有市場中的地位？這一點尚待觀察。不過，鈣鈦礦的一些應用可能是硅無法做到的。例如，前者可以在低光強度下發揮重要作用。得益于此，意大利羅馬托爾維加塔大學的托馬斯·布朗（Thomas Brown）和德國弗勞恩霍夫研究所德累斯頓分院的約翰·法爾泰希（John Fahlteich）領導的研究小組開發出在建筑內部正常照明條件下工作的太陽能電池。盡管人工照明產生的能量要比太陽光少得多，但在《細胞報告-物理科學》（Cell Reports Physical Science）上發表的一篇論文中，布朗博士和法爾泰希博士表示，他們研發的電池可以達到22.6%的轉化效率，產生的電量足以使無線傳感器和遙控裝置等原本需要電池供電的小型低功耗設備正常運行。

室內的人工照明最初由電產生，因此將其轉化為電力的做法似乎有些奇怪。但事實上，所有那些沒有進入人眼的光線都被浪費了，所以這種方法不過是減少了資源浪費。隨著物聯網的發展，這種方法的應用范圍可能會不斷拓展，物聯網的發展依賴于眾多不同類型的傳感器、無線控制系統和其他電子設備，如果該方法能夠有效，那么“不含電池”的標簽將會從警告變成推薦。

資料來源 The Economist