太陽能電池轉(zhuǎn)換效率最新的世界紀錄是多少？

42.3%。這是2010年十月六日，美國Spire半導體公司宣布的最新成果。該公司研發(fā)的三結(jié)砷化鎵（GaAs）太陽電池峰值效率達到了42.3%，聚光條件相當于406個太陽。

據(jù)悉，這款電池平臺已經(jīng)可以投入商業(yè)使用。

一般來說，太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率只有20%~30%。在此之前的世界紀錄是波音全資子公司Spectrolab在2009年八月生產(chǎn)出的一款實驗電池，轉(zhuǎn)換率達到41.6%。

2010年十一月二十二日，另一項新紀錄誕生。Spectrolab宣布，其開發(fā)的最新型地面用太陽電池C3MJ+已經(jīng)開始批量生產(chǎn)，該系列太陽電池的平均光電轉(zhuǎn)換效率可達39.2%，這是目前已量產(chǎn)的太陽能電池中轉(zhuǎn)換效率最高的。

多結(jié)太陽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)太陽能電池，在太陽能技術(shù)發(fā)展的各個方面都獲得了很多進展。

讓太陽能電池捕捉更多陽光

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

如日本秋田大學的研究小組開發(fā)出了將紫外線轉(zhuǎn)換成可視光、對可視光呈透明狀態(tài)的有機材料。旨在使目前太陽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型薄膜太陽能電池上時，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％的太陽能電池上，有望實現(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)造的薄膜硅太陽能電池實現(xiàn)13.8％的轉(zhuǎn)換效率。

而多位美國科學家進行了通過新增表面吸光能力提高電池效率的嘗試。

標準平板電池的問題在于，不論它是用有機還是無機材料制成的，部分陽光會通過反射損失掉。為了減少這個損失，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新增光子吸收。

美國維克森林大學的物理學教授DavidCarroll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光捕捉裝置。這層光纖像粗糙的胡子茬相同從表面突出。陽光能從任何角度進入光纖頂端，光子在光纖內(nèi)部彈跳，直到它們被周圍的有機電池吸收。實驗發(fā)現(xiàn)，光纖大約新增了一半的太陽光吸收，理論上說，效率能超過15%。這使得有機光伏技術(shù)能夠與硅電池競爭。

佐治亞理工學院教授王中林也正在試驗類似的以光纖為基礎(chǔ)的有機電池。他的實驗室研發(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，王中林預計這種方法能將效率提高6倍。

在最新一期《納米通訊》上，勞倫斯伯克利國家實驗室和加州大學伯克利分校擔任聯(lián)席職位的化學家AliJavey和他的小組報告說，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能電池，但只使用非常少的半導體材料。

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，波長范圍在300到900納米之間，也不必依賴任何抗反射涂層?！?/p>

還有一些研究人員致力于研究新型的抗反射太陽能電池涂層。如加州理工學院教授HarryAtwater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，此項目的目標是使薄膜的折射率恰好等于空氣的折射率，這種物質(zhì)不會使任何光線彎曲，而會無反射地完全傳導。

縱觀這些方法，都是由納米微粒組成的新型表面讓太陽能電池捕捉更多陽光，來彌補有機薄膜太陽能電池的天生不足。

同樣是提高表面吸光率，美國一家叫做GenieLens的小型新創(chuàng)公司所研發(fā)的技術(shù)聽起來更簡單——只需把一張透明貼紙貼在太陽能電池板表面，就能新增輸出功率。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能電池板——包括多晶硅和薄膜太陽能電池板。

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?，新增了陽光被吸收的幾率，提高電池效率。美國國家可再生能源實驗室的測試表明，這種薄膜可以使輸出功率平均新增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)晶體硅太陽能電池板吸收陽光的量。

實際上，納米級的線、孔隙、凹凸塊以及其他紋理都能極大改善太陽能電池的性能。但挑戰(zhàn)在于如何擴展到大面積區(qū)域，許多方法太復雜而且不能解決這個問題。2010年七月，斯坦福大學材料科學和工程系教授崔屹領(lǐng)導的研究團隊發(fā)明了一種更簡單、廉價的方法來創(chuàng)造大面積納米級紋理。

在《納米快報》上，崔屹報告他的團隊制成了超疏水表面和概念驗證的太陽能設(shè)備。為了制造太陽能電池，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。崔屹希望納米級的紋理使得用很少的材料制造高效薄膜太陽能電池成為可能。

“這項研究展示了一種簡單但有效的方法，實現(xiàn)在大面積區(qū)域內(nèi)可控地聚集納米球。”AliJavey說，“這可能是一條通往更高效薄膜太陽能電池的道路，而不提高成本及生產(chǎn)工藝的復雜性?！?/p>

新型太陽能電池系統(tǒng)頻出

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

實際上，美國還有很多科研團隊在研發(fā)類似技術(shù)，都把目光放到了光伏之外，希望開發(fā)出太陽能的其他潛力。不過，這些技術(shù)都還處在研發(fā)初期。

2010年八月，斯坦福大學工程師提出同時利用光伏和光熱發(fā)電工藝并證明其可行。該過程被稱為“光子增強熱電子發(fā)射”或pETE。

由于太陽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)的硅太陽能電池只能將陽光中15%的能量轉(zhuǎn)化為電力，而一半以上太陽能以熱量的形式浪費掉了。

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

Melosh估計pETE過程在陽光聚光情況下可達到50%的效率或更高，而假如與熱轉(zhuǎn)換循環(huán)相結(jié)合甚或可以達到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年八月一日的《自然—材料學》上。

美國麻省理工學院的研究人員于2010年十月二十五日宣布，他們精確地揭示了二釕富瓦烯（fulvalenediruthenium）分子的工作原理。這將有助于科學家研發(fā)出存儲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光等照射后，會吸收電磁波，從外部對其進行輕微加熱，或者添加某種催化劑，該分子便會在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。因此，從原理上講，使用二釕富瓦烯制造的電池可按需存儲和釋放熱能。但是，釕存在著稀缺性和成本高兩個問題。通過這項研究，科學家可尋找比釕更便宜的替代品。

在美國加州大學，新型石墨烯有機太陽能電池問世。雖然石墨烯有機太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率比不上硅太陽電池，但它造價低，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。

而在麻省理工學院，2010年十月，研究人員展示了他們的紙相同薄的太陽能電池板樣品，薄到甚至可以用打印機打印。雖然這些早期樣品的轉(zhuǎn)換率很低，但同石墨烯太陽能電池相同，應(yīng)用前景廣闊，可以貼在窗戶或者筆記本電腦上。研究人員認為，該技術(shù)5年內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)商業(yè)化。

此外，一個來自加拿大阿爾伯特大學和國家納米技術(shù)研究院的研究小組將塑料太陽電池的使用壽命從幾個小時擴展到了8個月。

沙漠是安放太陽能電池板的最佳地點之一。但是沙漠的風沙也會阻擋電池板吸收陽光。如阿聯(lián)酋的一個大型10兆瓦太陽能發(fā)電廠就因為沙塵暴而使電力生產(chǎn)減少了40%。

波士頓大學教授MalayMazumder的研究小組供應(yīng)了一種新技術(shù)——自我清潔的太陽能電池板。這是美國宇航局資助的兩種太陽能電池板清潔技術(shù)之一，未來可能會服務(wù)于火星探測器。

該系統(tǒng)利用了塵埃粒子在干燥的環(huán)境中帶電的原理，使得它們在與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年九月，據(jù)BBC報道，麻省理工學院研發(fā)出一種微型太陽能電池，它只有幾十億分之一米長，可進行自我修復，延長太陽能電池壽命。

據(jù)介紹，該太陽能電池重要由蛋白質(zhì)、極少量的碳和其他材料制成，可將太陽光轉(zhuǎn)換成電荷進行供電。由于太陽能夠供應(yīng)源源不斷的光線，這個設(shè)計和改進讓科學界為之興奮。

成本降低是王道

在效率和性能提高的同時，只有降低成本才能推廣應(yīng)用。

三菱重工2010年建設(shè)的新一代薄膜太陽能電池生產(chǎn)線的目標是年產(chǎn)量達到50MW，轉(zhuǎn)換效率達到15％。他們估計，2020年之前模塊的制造成本可降至7五日元/瓦。

電池板越大，制造薄膜太陽能電池的設(shè)備運行的效率就越高，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，并計劃2010年年底前把制造費用降低到每瓦1美元。

根據(jù)《技術(shù)評論》雜志的報道，改善太陽能電池和電池板使其更加有效率并不是全部，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。

我國光伏巨人尚德就是這么做的。2010年十月六日，尚德與美國國家半導體公司宣布合作開發(fā)智能太陽能光伏組件。通過本次合作，尚德公司將在其太陽能光伏組件中嵌入美國國家半導體的電源優(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，從而達到降低成本的目的。獨立機構(gòu)的實測數(shù)據(jù)表明，它能使光伏系統(tǒng)新增25%的能量產(chǎn)出，電池板的功率增益高達39%。

“我們認為智能模塊技術(shù)是未來的一條清晰道路?！鄙械碌氖紫虅?wù)官AndrewBeebe說。

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

《技術(shù)評論》認為，我國尚德集團是全球最大的晶體硅太陽能系統(tǒng)生產(chǎn)商，他們發(fā)現(xiàn)很難有進一步的提高，所以太陽能創(chuàng)新已轉(zhuǎn)移到電子產(chǎn)品上。

太陽能分析師EricWesoff說：“工程師們在最大限度地采用其他辦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?！?/p>

成本的降低將幫助太陽能應(yīng)用走向更廣闊的空間。

2010年一月初，豐田旗下子公司宣布開發(fā)出了依靠太陽能電池的供應(yīng)給插電式混合動力車及電動汽車充電的太陽能充電站，目前已獲得愛知縣豐田市采用。

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

在美國，紐約也在2010年建起了第一座太陽能電動汽車充電站。