效率更佳的新型太陽(yáng)能電池

更高的太陽(yáng)能效率即將到來(lái)。

太陽(yáng)能在危機(jī)中找到了發(fā)展的良機(jī)。在世界上許多天空未受污染的地方，用于將光能轉(zhuǎn)化為電能的光伏發(fā)電站將變得更加可靠、更具效率。與此同時(shí)，由于需求下降，燃煤和燃?xì)獍l(fā)電站被迫關(guān)停。2020年4月20日，英國(guó)的太陽(yáng)能發(fā)電量達(dá)到9.7千兆瓦的峰值。當(dāng)時(shí)，這一發(fā)電量占該國(guó)電力供應(yīng)總量的30%，所占比例相當(dāng)于平時(shí)的10倍。在德國(guó)，在4月份的某一整周時(shí)間，太陽(yáng)能所占比例達(dá)到23%，而2019年的平均占比約為8%。

盡管這些數(shù)據(jù)并非常態(tài)，但足以給人留下深刻印象。它們表明，太陽(yáng)能技術(shù)已經(jīng)日臻成熟。盡管太陽(yáng)能的表現(xiàn)讓人耳目一新，但在某種程度上，這仍然屬于舊技術(shù)的勝利。

20世紀(jì)50年代，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室制造出首個(gè)具有實(shí)用價(jià)值的太陽(yáng)能電池，其能源效率為6%，但售價(jià)極為昂貴。然而，在接踵而來(lái)的太空競(jìng)賽中，它確實(shí)被證明是超級(jí)大國(guó)在為衛(wèi)星提供動(dòng)力方面的殺手锏。人們?yōu)榇粟呏酊F。

隨著技術(shù)的發(fā)展，太陽(yáng)能電池成本逐漸降低，效率也提高了，達(dá)到17%～20%，應(yīng)用范圍也因此擴(kuò)大。如今，電網(wǎng)管理人員面對(duì)過(guò)剩的產(chǎn)能，更傾向于使用太陽(yáng)能而非化石燃料發(fā)電。不過(guò)，盡管太陽(yáng)能電池在細(xì)節(jié)上有了改進(jìn)，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(dǎo)體材料，利用光能使電子穿過(guò)兩層超純硅之間的結(jié)合處，從而產(chǎn)生電流。

標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)能發(fā)電廠可生產(chǎn)達(dá)到電網(wǎng)規(guī)模的電力，因此可能會(huì)繼續(xù)沿用這一構(gòu)造。但許多人認(rèn)為，太陽(yáng)能的潛能可以更大。一些人希望大刀闊斧地對(duì)太陽(yáng)能發(fā)電廠進(jìn)行重新設(shè)計(jì)；而另一些人則認(rèn)為太陽(yáng)能的應(yīng)用領(lǐng)域較小，無(wú)需與電網(wǎng)連通。無(wú)論是哪一種方案，其所需的效率都是當(dāng)前的標(biāo)準(zhǔn)硅無(wú)法企及的，而實(shí)現(xiàn)方案所需的電池則都存在售價(jià)高昂的問(wèn)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(yáng)能光譜不同部分的材料層，這意味著要將原材料從硅擴(kuò)大到其他材料，如III-V族半導(dǎo)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(shí)際上，砷化鎵已經(jīng)實(shí)現(xiàn)在衛(wèi)星等領(lǐng)域的應(yīng)用。美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室的約翰·蓋茨（John Geisz）及其同事研制出一種六結(jié)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(shí)驗(yàn)室條件下，這種電池的效率高達(dá)47.1%。2020年4月，這項(xiàng)新的紀(jì)錄發(fā)表在《自然-能源》上。研究人員認(rèn)為，如果繼續(xù)研究，效率應(yīng)該可以達(dá)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(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)能發(fā)電廠，電池的發(fā)電效率略低于40%。當(dāng)它受到相當(dāng)于143個(gè)太陽(yáng)的光照時(shí)，這個(gè)數(shù)字是47%。大體說(shuō)來(lái)，鏡面排列合理、可聚集太陽(yáng)光的六結(jié)電池，產(chǎn)生的電量與標(biāo)準(zhǔn)硅電池相當(dāng)，而后者的占地面積為前者的400倍。這些得益于顛覆性技術(shù)的突破。

還有一種有望用于制造新型太陽(yáng)能電池的材料是鈣鈦礦。1839年，人們?cè)跒趵瓲柹矫}發(fā)現(xiàn)了一種鈦酸鈣礦物質(zhì)，并以俄羅斯礦物學(xué)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(gòu)成。因此，鈣鈦礦現(xiàn)在已經(jīng)成為這類礦物的通用名稱。

并非所有鈣鈦礦都可用作半導(dǎo)體材料。但是，一種由錫等金屬和氯、溴或碘等鹵素構(gòu)成的材料，同樣具有這種性質(zhì)。此外，此類金屬鹵化物鈣鈦礦產(chǎn)量豐富，售價(jià)低廉。牛津光伏公司是利用鈣鈦礦制造電池的領(lǐng)先企業(yè)之一。這家英國(guó)公司成立于2010年，他們希望能進(jìn)一步開(kāi)發(fā)牛津大學(xué)克拉倫登實(shí)驗(yàn)室物理學(xué)教授亨利·斯內(nèi)斯（Henry Snaith）有關(guān)鈣鈦礦的研究成果。該公司研發(fā)的材料為混合結(jié)構(gòu)，被稱為串聯(lián)太陽(yáng)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(lián)電池在捕捉陽(yáng)光時(shí)各司其職。上面的鈣鈦礦層吸收光譜中藍(lán)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(zhǎng)光線，從而達(dá)到提高效率的目的。在2018年的一次測(cè)試中，這種串聯(lián)電池創(chuàng)造了該類電池的新紀(jì)錄——效率達(dá)28%。該公司的工程師們認(rèn)為，他們可以將這一數(shù)字提高至35%左右。

在硅層涂覆鈣鈦礦層的第二個(gè)好處是，采用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)工藝很容易將電池制成太陽(yáng)能電池板。這有助于使其在與傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池板競(jìng)爭(zhēng)中保持競(jìng)爭(zhēng)力。目前，德國(guó)有一家生產(chǎn)此類新型太陽(yáng)能電池板的新工廠正在建設(shè)之中，該工廠生產(chǎn)的首批太陽(yáng)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(xiàn)有市場(chǎng)中的地位？這一點(diǎn)尚待觀察。不過(guò)，鈣鈦礦的一些應(yīng)用可能是硅無(wú)法做到的。例如，前者可以在低光強(qiáng)度下發(fā)揮重要作用。得益于此，意大利羅馬托爾維加塔大學(xué)的托馬斯·布朗（Thomas Brown）和德國(guó)弗勞恩霍夫研究所德累斯頓分院的約翰·法爾泰希（John Fahlteich）領(lǐng)導(dǎo)的研究小組開(kāi)發(fā)出在建筑內(nèi)部正常照明條件下工作的太陽(yáng)能電池。盡管人工照明產(chǎn)生的能量要比太陽(yáng)光少得多，但在《細(xì)胞報(bào)告-物理科學(xué)》（Cell Reports Physical Science）上發(fā)表的一篇論文中，布朗博士和法爾泰希博士表示，他們研發(fā)的電池可以達(dá)到22.6%的轉(zhuǎn)化效率，產(chǎn)生的電量足以使無(wú)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(shè)備正常運(yùn)行。

室內(nèi)的人工照明最初由電產(chǎn)生，因此將其轉(zhuǎn)化為電力的做法似乎有些奇怪。但事實(shí)上，所有那些沒(méi)有進(jìn)入人眼的光線都被浪費(fèi)了，所以這種方法不過(guò)是減少了資源浪費(fèi)。隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，這種方法的應(yīng)用范圍可能會(huì)不斷拓展，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展依賴于眾多不同類型的傳感器、無(wú)線控制系統(tǒng)和其他電子設(shè)備，如果該方法能夠有效，那么“不含電池”的標(biāo)簽將會(huì)從警告變成推薦。

資料來(lái)源 The Economist