太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率最新的世界紀(jì)錄是多少？

42.3%。這是2010年10月6日，美國(guó)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(yáng)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(yáng)。

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(yáng)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2009年8月生產(chǎn)出的一款實(shí)驗(yàn)電池，轉(zhuǎn)換率達(dá)到41.6%。

2010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(yáng)電池C3MJ+已經(jīng)開始批量生產(chǎn)，該系列太陽(yáng)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(yáng)能電池中轉(zhuǎn)換效率最高的。

多結(jié)太陽(yáng)能電池通常用在聚光型光伏（CPV）應(yīng)用方面。在2010年，獲得突破的不僅僅是多結(jié)太陽(yáng)能電池，在太陽(yáng)能技術(shù)發(fā)展的各個(gè)方面都獲得了很多進(jìn)展。

讓太陽(yáng)能電池捕捉更多陽(yáng)光

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

如日本秋田大學(xué)的研究小組開發(fā)出了將紫外線轉(zhuǎn)換成可視光、對(duì)可視光呈透明狀態(tài)的有機(jī)材料。旨在使目前太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)能電池上，有望實(shí)現(xiàn)22％的效率。

2010年還有很多從結(jié)構(gòu)上提高效率的嘗試。

如日本京瓷公司采用先進(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(yáng)能電池實(shí)現(xiàn)13.8％的轉(zhuǎn)換效率。

而多位美國(guó)科學(xué)家進(jìn)行了通過增加表面吸光能力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(yáng)光會(huì)通過反射損失掉。為了減少這個(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吸收。

美國(guó)維克森林大學(xué)的物理學(xué)教授David Carroll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(yáng)光捕捉裝置。這層光纖像粗糙的胡子茬一樣從表面突出。陽(yáng)光能從任何角度進(jìn)入光纖頂端，光子在光纖內(nèi)部彈跳，直到它們被周圍的有機(jī)電池吸收。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，光纖大約增加了一半的太陽(yáng)光吸收，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(jìng)爭(zhēng)。

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。他的實(shí)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。盡管還沒成功，王中林預(yù)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(guó)家實(shí)驗(yàn)室和加州大學(xué)伯克利分校擔(dān)任聯(lián)席職位的化學(xué)家Ali Javey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(yáng)能電池，但只使用非常少的半導(dǎo)體材料。

Javey 說:“只要2微米高，我們的納米柱陣列就能夠吸收99%的光子，波長(zhǎng)范圍在300到900納米之間，也不必依賴任何抗反射涂層。”

還有一些研究人員致力于研究新型的抗反射太陽(yáng)能電池涂層。如加州理工學(xué)院教授Harry Atwater和同事通過在納米和微觀層面精確地裁制材料結(jié)構(gòu)，創(chuàng)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(yáng)能電池捕捉更多陽(yáng)光，來彌補(bǔ)有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池的天生不足。

同樣是提高表面吸光率，美國(guó)一家叫做Genie Lens的小型新創(chuàng)公司所研發(fā)的技術(shù)聽起來更簡(jiǎn)單——只需把一張透明貼紙貼在太陽(yáng)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(yáng)能電池板——包括多晶硅和薄膜太陽(yáng)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，能夠改變?nèi)肷涔獾姆较?，增加了?yáng)光被吸收的幾率，提高電池效率。美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室的測(cè)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(yáng)能電池板吸收陽(yáng)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(yáng)能電池的性能。但挑戰(zhàn)在于如何擴(kuò)展到大面積區(qū)域，許多方法太復(fù)雜而且不能解決這個(gè)問題。2010年7月，斯坦福大學(xué)材料科學(xué)和工程系教授崔屹領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一種更簡(jiǎn)單、廉價(jià)的方法來創(chuàng)造大面積納米級(jí)紋理。 [page]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(yáng)能設(shè)備。為了制造太陽(yáng)能電池，研究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，它能多吸收42%的光線。崔屹希望納米級(jí)的紋理使得用很少的材料制造高效薄膜太陽(yáng)能電池成為可能。

“這項(xiàng)研究展示了一種簡(jiǎn)單但有效的方法，實(shí)現(xiàn)在大面積區(qū)域內(nèi)可控地聚集納米球。”Ali Javey說，“這可能是一條通往更高效薄膜太陽(yáng)能電池的道路，而不提高成本及生產(chǎn)工藝的復(fù)雜性。”

新型太陽(yáng)能電池系統(tǒng)頻出

一家名為Cogenra Solar的公司在加州北部一座葡萄酒廠中安裝了新型的太陽(yáng)能電池板。這組電池板結(jié)合了傳統(tǒng)的太陽(yáng)能光伏電池和一套余熱收集系統(tǒng)，能同時(shí)產(chǎn)生電力和熱能。

實(shí)際上，美國(guó)還有很多科研團(tuán)隊(duì)在研發(fā)類似技術(shù)，都把目光放到了光伏之外，希望開發(fā)出太陽(yáng)能的其他潛力。不過，這些技術(shù)都還處在研發(fā)初期。

2010年8月，斯坦福大學(xué)工程師提出同時(shí)利用光伏和光熱發(fā)電工藝并證明其可行。該過程被稱為“光子增強(qiáng)熱電子發(fā)射”或PETE。

由于太陽(yáng)能電池中的活性材料只能與特定的光譜發(fā)生反應(yīng)，大多數(shù)的硅太陽(yáng)能電池只能將陽(yáng)光中15%的能量轉(zhuǎn)化為電力，而一半以上太陽(yáng)能以熱量的形式浪費(fèi)掉了。

到目前為止還沒有研究人員能掌握一種同時(shí)兼顧熱能利用與光電轉(zhuǎn)換的技術(shù)。斯坦福大學(xué)材料科學(xué)與工程副教授Nick Melosh的研究小組選擇了一種涂覆有銫金屬薄層的氮化鎵半導(dǎo)體材料，這種材料能夠同時(shí)利用光和熱來發(fā)電，比現(xiàn)有的太陽(yáng)電池技術(shù)效率翻番。

Melosh 估計(jì)PETE 過程在陽(yáng)光聚光情況下可達(dá)到50%的效率或更高，而如果與熱轉(zhuǎn)換循環(huán)相結(jié)合甚或可以達(dá)到60%，這幾乎是現(xiàn)有系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率的3倍。該小組的研究成果發(fā)表在2010年8 月1日的《自然—材料學(xué)》上。

美國(guó)麻省理工學(xué)院的研究人員于2010年10月25日宣布，他們精確地揭示了二釕富瓦烯（fulvalene diruthenium）分子的工作原理。這將有助于科學(xué)家研發(fā)出存儲(chǔ)和釋放熱能而不是電能的新型電池。

二釕富瓦烯分子被太陽(yáng)光等照射后，會(huì)吸收電磁波，從外部對(duì)其進(jìn)行輕微加熱，或者添加某種催化劑，該分子便會(huì)在200℃左右的溫度下發(fā)熱，然后還原為發(fā)生變化之前的構(gòu)造，并可多次重復(fù)。因此，從原理上講，使用二釕富瓦烯制造的電池可按需存儲(chǔ)和釋放熱能。但是，釕存在著稀缺性和成本高兩個(gè)問題。通過這項(xiàng)研究，科學(xué)家可尋找比釕更便宜的替代品。

在美國(guó)加州大學(xué)，新型石墨烯有機(jī)太陽(yáng)能電池問世。雖然石墨烯有機(jī)太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化效率比不上硅太陽(yáng)電池，但它造價(jià)低，并且柔韌性好，因此應(yīng)用前景看好。例如可做成發(fā)電窗簾，甚至發(fā)電衣服。

而在麻省理工學(xué)院，2010年10月，研究人員展示了他們的紙一樣薄的太陽(yáng)能電池板樣品，薄到甚至可以用打印機(jī)打印。雖然這些早期樣品的轉(zhuǎn)換率很低，但同石墨烯太陽(yáng)能電池一樣，應(yīng)用前景廣闊，可以貼在窗戶或者筆記本電腦上。研究人員認(rèn)為，該技術(shù)5年內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)商業(yè)化。

此外，一個(gè)來自加拿大阿爾伯特大學(xué)和國(guó)家納米技術(shù)研究院的研究小組將塑料太陽(yáng)電池的使用壽命從幾個(gè)小時(shí)擴(kuò)展到了8 個(gè)月。

沙漠是安放太陽(yáng)能電池板的最佳地點(diǎn)之一。但是沙漠的風(fēng)沙也會(huì)阻擋電池板吸收陽(yáng)光。如阿聯(lián)酋的一個(gè)大型10兆瓦太陽(yáng)能發(fā)電廠就因?yàn)樯硥m暴而使電力生產(chǎn)減少了40%。

波士頓大學(xué)教授Malay Mazumder的研究小組提供了一種新技術(shù)——自我清潔的太陽(yáng)能電池板。這是美國(guó)宇航局資助的兩種太陽(yáng)能電池板清潔技術(shù)之一，未來可能會(huì)服務(wù)于火星探測(cè)器。

該系統(tǒng)利用了塵埃粒子在干燥的環(huán)境中帶電的原理，使得它們?cè)谂c電池板接觸后被快速除去。據(jù)悉，這套系統(tǒng)能在兩分鐘的循環(huán)里除去90%的塵埃。

2010年9月，據(jù)BBC報(bào)道，麻省理工學(xué)院研發(fā)出一種微型太陽(yáng)能電池，它只有幾十億分之一米長(zhǎng)，可進(jìn)行自我修復(fù)，延長(zhǎng)太陽(yáng)能電池壽命。

據(jù)介紹，該太陽(yáng)能電池主要由蛋白質(zhì)、極少量的碳和其他材料制成，可將太陽(yáng)光轉(zhuǎn)換成電荷進(jìn)行供電。由于太陽(yáng)能夠提供源源不斷的光線，這個(gè)設(shè)計(jì)和改進(jìn)讓科學(xué)界為之興奮。

成本降低是王道

在效率和性能提高的同時(shí)，只有降低成本才能推廣應(yīng)用。 [page]三菱重工2010年建設(shè)的新一代薄膜太陽(yáng)能電池生產(chǎn)線的目標(biāo)是年產(chǎn)量達(dá)到50MW，轉(zhuǎn)換效率達(dá)到15％。他們估計(jì)，2020年之前模塊的制造成本可降至75日元/瓦。

電池板越大，制造薄膜太陽(yáng)能電池的設(shè)備運(yùn)行的效率就越高，連接和支持較大的模塊所需的硬件和人力都更少，付出的成本就越低。2010年，半導(dǎo)體設(shè)備巨頭應(yīng)用材料公司開發(fā)了制造巨型光伏板的設(shè)備，并計(jì)劃2010年年底前把制造費(fèi)用降低到每瓦1美元。

根據(jù)《技術(shù)評(píng)論》雜志的報(bào)道，改善太陽(yáng)能電池和電池板使其更有效率并不是全部，另一種選擇是將電子產(chǎn)品集成到電池板，提高光伏系統(tǒng)輸出功率。

中國(guó)光伏巨人尚德就是這么做的。2010年10月6日，尚德與美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司宣布合作開發(fā)智能太陽(yáng)能光伏組件。通過本次合作，尚德公司將在其太陽(yáng)能光伏組件中嵌入美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的電源優(yōu)化器芯片組。

這種芯片組可充分提高每塊光伏組件的發(fā)電量，從而達(dá)到降低成本的目的。獨(dú)立機(jī)構(gòu)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，它能使光伏系統(tǒng)增加25%的能量產(chǎn)出，電池板的功率增益高達(dá)39%。

“我們認(rèn)為智能模塊技術(shù)是未來的一條清晰道路。”尚德的首席商務(wù)官Andrew Beebe說。

此外，尚德還聯(lián)手幾家國(guó)際公司尋找微型逆變器。這是另一項(xiàng)電子技術(shù)，也將會(huì)提高光伏系統(tǒng)的功率。

《技術(shù)評(píng)論》認(rèn)為，中國(guó)尚德集團(tuán)是全球最大的晶體硅太陽(yáng)能系統(tǒng)生產(chǎn)商，他們發(fā)現(xiàn)很難有進(jìn)一步的提高，所以太陽(yáng)能創(chuàng)新已轉(zhuǎn)移到電子產(chǎn)品上。

太陽(yáng)能分析師Eric Wesoff說：“工程師們?cè)谧畲笙薅鹊夭捎闷渌k法提高光伏電池的效率，他們更愿意嘗試不同的電子產(chǎn)品。”

成本的降低將幫助太陽(yáng)能應(yīng)用走向更廣闊的空間。

2010年1月初，豐田旗下子公司宣布開發(fā)出了依靠太陽(yáng)能電池的提供給插電式混合動(dòng)力車及電動(dòng)汽車充電的太陽(yáng)能充電站，目前已獲得愛知縣豐田市采用。

據(jù)介紹，這種太陽(yáng)能充電站裝有太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)和蓄電設(shè)備，并與商用電網(wǎng)連接。太陽(yáng)能發(fā)的電剩余時(shí)，可在設(shè)置充電站的建筑物內(nèi)使用，或出售給電力公司。當(dāng)發(fā)生災(zāi)害時(shí)，還可作為應(yīng)急電源。

在美國(guó)，紐約也在2010年建起了第一座太陽(yáng)能電動(dòng)汽車充電站。