上個月，位於科羅拉多州戈爾登市的國家可再生能源實驗室的一名研究人員將一張郵票大小的太陽能電池裝到托盤上，並將其放置在高強度脈衝太陽能模擬器下。 模擬器閃爍2.5毫秒脈衝光，19反射鏡將光子反射到細胞上。 再過幾毫秒，數據通過循環的電線嵌套流入NREL計算機。 研究人員對這些數字進行了調整和糾正，設備性能主管Keith Emery對此進行了驗證：太陽能光伏效率創造了新的世界紀錄。
在高風險，高技術的光伏世界中，得分保持為原始太陽能擊中轉換為電能的電池的百分比。 由於他的實驗室是美國唯一一家獲得國際電工委員會認證測試太陽能電池效率的實驗室，因此埃默里是該國的非官方太陽能記分員。
我們處於文藝復興時期的光伏研究階段，不斷創新推動所有類型太陽能電池的效率 - 從最傳統的晶體矽到薄膜碲化鎘，再到嗡嗡作響的新發現，如鈣鈦礦細胞。 世界紀錄正以驚人的速度被打破，這位最新唱片製定者背後的研究人員知道比慶祝更長時間。
太陽聖杯：網格奇偶校驗
幾乎光伏社區的每個人 - 即使那些被最新創新留在塵埃中的人 - 也同意這種持續的勝人一籌是一件非常好的事情。 對於太陽能行業而言，效率評級遠遠超過吹牛的權利或研究撥款提案的飼料。 它們是接近“電網平價”的關鍵 - 電力光伏發電的成本與煤炭和天然氣工廠的成本相同（或低於）。
「當你能夠開發出具有超高效率的太陽能電池時，你就可以全面節省成本，」伊利諾大學厄巴納香檳分校的物理學家約翰羅傑斯說，他是光伏研究領域廣受尊敬的領導者。 「你減少了建造的模組數量。您可以降低安裝成本。維護成本下降。你需要的土地數量減少了。”
太陽能世界的經驗法則是，當電力生產成本達到每瓦特1時，光伏發電將能夠直接與煤炭和天然氣競爭。“基本的假設是當你帶來一些電網平價時，對技術的接受程度要好得多，“該公司的創始董事Ramamoorthy Ramesh說道 美國能源部的SunShot計劃該公司在2011推出，其使命是降低太陽能發電成本，以滿足或超過化石燃料發電成本。
太陽能世界的經驗法則是，當電力生產成本達到每瓦特1時，光伏發電將能夠直接與煤炭和天然氣競爭。 在SunShot開始時，太陽能光伏發電的成本為每瓦5。 三年後，Ramesh報告的成本已降至每瓦特2.80左右。
然而，大部分用於節省成本的低成本水果已經被選中，而中國太陽能電池板的過剩一直是太陽能負擔能力的重要推動力。 為了削減下一個$ 1.80，生產具有更高效率的電池並將這些發現從實驗室轉移到現實世界將是必不可少的。
“通過光伏發電，我們知道該怎麼做，”拉梅什說。 “我們需要降低製造成本並提高效率。”
太陽能提供了許多提高效率的機會
提高效率的機會很多。 一個重要的關注領域是用於捕獲光能並將其轉換為電流的半導體材料。 用作半導體的每種材料在效率方面都具有獨特的優勢和局限性，通常因為每種材料都能最好地吸收自然光譜的某一部分 - 所以我們不斷尋找可以做得更好的材料。
為了最大限度地提高效率，工程師們不斷修補這些微觀細胞的各個方面。其他因素也影響細胞的最終效率：半導體材料如何隨著時間的推移而退化，細胞結構如何吸收，如何適當電極捕獲半導體產生的電流並將其引導為電力的生產用途。 為了最大限度地提高效率，工程師們不斷修補這些微觀電池的各個方面 - 改變化學和設計，最終產生最佳的電流和電壓。
由於不同材料和設計的各種潛在效率，某類光伏電池的記錄設定效率得分可能遠高於另一類。 世界上最好的薄膜太陽能電池最大約為23％，而最好的矽基電池達到26％左右，最好的多結電池（使用堆疊在一起的各種半導體）正在清除44百分比。
但是多結電池的生產成本要高得多，並且不能真正用於廣泛的屋頂環境。 因此，比25百分比效率更好的矽電池，就像一個超過40的多結電池一樣令人興奮和充滿希望。
我們能否期望太陽能效率不斷提高？
當你想像一個太陽能電池板 - 在屋頂上或在一個龐大的光伏電站中 - 很可能你的頭腦中都有晶體矽的圖像。 幾十年來，矽一直是全球光伏發電的主力，是迄今為止最常見的太陽能電池半導體。 NREL可靠性集團經理Sarah Kurtz表示，“80佔90市場份額的20百分比已超過XNUMX。”
幾十年來，矽電池的效率穩步提高，但速度緩慢，而且普遍的態度是沒有更多的效率可以從矽中哄騙出來。 直到最近。
一家新興的矽片公司TetraSun讓NREL的研究人員熱血沸騰，競爭對手看到了紅色。 通過觸發幾個芯片慣例，TetraSun僅在21個月的工作中記錄了18的效率百分比。 雖然這聽起來可能不是很多，但它已經擊敗了典型的絲網印刷矽電池 - 到目前為止你在屋頂上看到的最常見的 - 已經超過了一些嚴重的百分點。
TetraSun的秘密之一就是一些臭名昭著的表演運動員：興奮劑。 所有矽晶片都經過摻雜（化學處理），但TetraSun所謂的“N型”電池摻雜有磷。 這可以防止電池遭受與傳統摻硼“P型”晶片相同的光誘導降解，從而有助於將電池效率保持在電池板的使用壽命中更長時間。
隨著公司尋求建造更大的太陽能光伏裝置，這種用於將較便宜的材料替換為昂貴的部件的努力變得越來越重要。
TetraSun的N型電池也是雙面的，具有一些巧妙的結構，允許半導體捕獲從模塊底部反彈的間接陽光。 而且，最重要的是，TetraSun更換了典型矽光伏面板前面的銀色網格，將電流從電池中漏出，用於銅電極。 實際上並非如此簡單 - 幾個月和幾個月，TetraSun的工程師與NREL專家合作，找出如何使銅（一種相當不守規矩的材料）表現出來。 最後，銅卡在一起形成，網格線約為人類頭髮寬度的二十五分之一。
隨著公司尋求建設更大的太陽能光伏裝置，NREL分析顯微鏡監督員Mowafak Al-Jassim，這種將昂貴的材料替換為昂貴的材料的努力變得越來越重要。 告訴SolarReviews 去年十一月。
截至2月份，配備TetraSun銅線電池的面板正在吸引真實付費客戶的屋頂上的光線。 該公司被商業太陽能公司的大型企業First Solar收購，該公司立即推出了TetraSun的產品作為其第一條屋頂產品線。
潛在的新星：鈣鈦礦太陽能電池
如果矽研究人員正試圖教老狗的新技巧，那麼一種名為鈣鈦礦的新型太陽能材料就是一種新的異國犬類品種，它正在轉動頭部和下顎。 鈣鈦礦細胞（以烏拉爾山脈中發現的礦物命名）比光伏世界見過的任何東西都更快地提高效率圖表。
直到2009，鈣鈦礦甚至被認為是太陽能電池中的半導體。 那時，一位試驗它的日本科學家記錄了3.8的效率。 上個月，加州大學洛杉磯分校的一個團隊報告了19.3百分比。
鈣鈦礦細胞“是染料敏化細胞的一種變體，已經進行了相當長的一段時間，”Kurtz解釋說，他指的是一種新興的細胞類型，它基本上用光吸收有機染料取代了固態半導體晶片。 “就在去年，[研究人員]發現了一種能夠提高效率的材料組合。”從那以後，它就一直停留在比賽中。
鈣鈦礦的最大優點是它的易用性。 它可以在液體中生長，基本上印刷在基礎材料上，使得簡單和廉價的太陽能電池生產很容易從高科技研究實驗室轉移到工廠。
一個問題是：性能最好的鈣鈦礦細胞與鉛混合，可能在實驗室的安全範圍內工作，但沒有人會在他們的屋頂上放置。 然而，在過去的一個月裡，兩個獨立的研究小組發表了將鈣鈦礦與錫混合的早期實驗的有希望的結果。 錫不僅比鉛更安全，更環保，而且價格也便宜得多。
“錫是一種非常可行的材料，我們已經證明這種材料可以作為一種高效的太陽能電池，”西北大學化學家Mercouri Kanatzidis表示。 上個月的聲明 宣布他的團隊的調查結果。 “錫和鉛在元素週期表中屬於同一組，所以我們期望得到類似的結果。”
鈣鈦礦太陽能電池是否取得成功當然是一個懸而未決的問題。 這些細胞還沒有在實際的玻璃和金屬模塊中證明它們的可行性，整個領域太年輕，無法隨時了解它們的穩定性。
堆疊單元是另一個突破
對羅傑斯而言，堆疊電池是突破傳統光伏發電效率極限的途徑。 羅傑斯解釋說，任何給定的太陽能電池材料（如矽或碲化鎘，最常見的薄膜形式）都能很好地吸收太陽光譜的某些有限部分。 然而，因為它們僅被調諧到那些波長，所以所有基本太陽能電池都具有理論極限。 （晶體矽約為29％，在現場稱為Shockley-Queisser限制。）
羅傑斯的策略是堆疊不同的材料 - 每一層都能獲得不同的光譜。“提高效率的方法是設計能夠在與來自太陽的入射光子相關的整個光譜範圍內工作的太陽能電池。 ，這是一個相當廣泛的範圍，“羅傑斯說。
羅傑斯的策略是堆疊不同的材料 - 每層吸收不同的光譜塊。 “你可以開發出一種太陽能電池，它在綠色環境中工作得非常好，但在紅色環境中很糟糕，”他解釋道，“然後堆疊在另一個可以在紅色中有效運行的太陽能電池上。”
由此產生的半導體疊層非常小 - 每個小於一平方毫米 - 但是放在它們上面的玻璃面板包含將太陽光直接聚焦到每個堆疊上的透鏡，就像一個壞孩子用放大鏡焚燒蟲子一樣。 撞擊面板的每一點光線都會遇到極小的細胞堆疊。
微創工程的這一壯舉 - 要粗暴地過度簡化它，包括在不同的基板上生長每一層，蝕刻掉所需的單元，將半導體“橡皮沖壓”到單元本身上，然後將它們堆疊成四層厚 - 實際上是有效的。 羅傑斯的團隊剛剛宣布了一個四層電池，該電池以42.5效率在實驗室中運行。
羅傑斯現在正與位於北卡羅來納州的一家名為Semprius的公司合作，將像他這樣的多結電池放入現場模塊中。 羅傑斯表示，即使擁有各種各樣的隨身物品，Semprius模塊也實現了35效率，這是“絕對性能最高的模塊”。 “它甚至都不是很接近。”
房主可能不會向Semprius訂購，因為這些模塊不適用於屋頂。 它們“最適合公用事業規模的太陽能農場，或者您可以想像它們安裝在工業園區和數據農場中。 我們談論的是超低成本，大規模的發電，“羅傑斯說。
實現電網平價的成本足夠低？ 大規模的德國太陽能領導者西門子認為如此。 該公司是Semprius的早期投資者，Rogers稱其對該技術的評估“最具啟發性”。
“他們看了看，說這可能比煤炭便宜。”
然而，真正追求更好的光伏發電的本質，這不是故事的結束：回到實驗室，羅傑斯說，通過一些小的調整，他的團隊將能夠獲得超過50百分比的效率等級。 “沒有其他突破，我們可以走很長的路。”
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這篇文章最初出現在 Ensia
關於作者
Ben Jervey是一位關於氣候，能源和環境的作家兼編輯。 他經常寫作 國家地理新聞， 在地球上和 DeSmogBlog。 他最近與Focus the Nation合作出版了一本 能量101底漆。 作為一名自行車愛好者，Ben曾經騎過美國和歐洲大部分地區。
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