今年以來(lái)，全球范圍內(nèi)，圍繞太陽(yáng)能行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新正在向“如何提高轉(zhuǎn)換效率”聚焦。

隨著全球綠色轉(zhuǎn)型加速，越來(lái)越多科研團(tuán)隊(duì)、技術(shù)初創(chuàng)公司不斷加大新能源領(lǐng)域科研投入。今年以來(lái)，全球范圍內(nèi)，圍繞太陽(yáng)能行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新正在向“如何提高轉(zhuǎn)換效率”聚焦。業(yè)內(nèi)認(rèn)為，這些研究對(duì)于理解和開(kāi)發(fā)可持續(xù)能源解決方案提供了很好借鑒，有望重新定義太陽(yáng)能發(fā)電效率以及可及性。

技術(shù)創(chuàng)新層出不窮

國(guó)際可再生能源署指出，太陽(yáng)能是全球增長(zhǎng)最快的能源，自2010年以來(lái)增長(zhǎng)約26倍。數(shù)據(jù)顯示，到2022年底，全球太陽(yáng)能光伏裝機(jī)容量為1047吉瓦；2023年，全球電力增長(zhǎng)主要來(lái)源是太陽(yáng)能，連續(xù)第19年保持增長(zhǎng)最快的電力來(lái)源地位，并連續(xù)第2年超過(guò)風(fēng)能成為最大新電力來(lái)源。

基于此，全球范圍內(nèi)，在提高太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率方面，技術(shù)創(chuàng)新層出不窮。有科研團(tuán)隊(duì)通過(guò)在傳統(tǒng)硅基太陽(yáng)能電池板上添加新的過(guò)氧化物層來(lái)提高效率，這種化合物能捕捉不同波長(zhǎng)的光，有望將轉(zhuǎn)換效率提高到30%以上。

土耳其一個(gè)科研團(tuán)隊(duì)日前表示，研發(fā)了一種半球形光伏太陽(yáng)能電池，在計(jì)算機(jī)模擬中，比傳統(tǒng)平板電池板多吸收66%的光。目前，這個(gè)科研團(tuán)隊(duì)正在尋求制造一個(gè)原型來(lái)測(cè)試該技術(shù)。

事實(shí)上，轉(zhuǎn)換效率一直是影響太陽(yáng)能發(fā)電的主要因素之一。一方面，傳統(tǒng)硅基太陽(yáng)能電池板可以吸收整個(gè)可見(jiàn)光譜的光，但吸收能力相對(duì)較弱，而且面板必須有幾微米厚才能吸收足夠質(zhì)子來(lái)發(fā)電，這使得此類(lèi)電池板異常笨重、昂貴，不僅難以放置在狹小空間里，更難與建筑物和車(chē)輛無(wú)縫集成。

另一方面，由有機(jī)染料制成的薄膜太陽(yáng)能電池雖然便宜又輕巧，厚度僅為100納米，但只能吸收太陽(yáng)光譜的一小部分，并不是理想的選擇。

新型系統(tǒng)捕獲更多光

德國(guó)維爾茨堡大學(xué)一個(gè)科研團(tuán)隊(duì)日前研發(fā)出一種新型光收集系統(tǒng)URPB，可以吸收整個(gè)可見(jiàn)光范圍內(nèi)的光，進(jìn)一步提升太陽(yáng)能電池板轉(zhuǎn)換效率。

國(guó)際期刊《化學(xué)》報(bào)道了此次研究成果。URPB系統(tǒng)對(duì)4種不同“染料”——紫外光色、紅色、紫色和藍(lán)色，進(jìn)行精確堆疊配置排列，從而更高效地捕獲紫外線、可見(jiàn)光和近紅外波長(zhǎng)的光。在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中，URPB系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了38%的入射光能轉(zhuǎn)化為有用能量的能量轉(zhuǎn)換效率，而單個(gè)“染料”最大轉(zhuǎn)換效率僅為3%。

不過(guò)，雖然URPB系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中得到了驗(yàn)證，并為制造更薄、更輕、更高效的太陽(yáng)能電池板提供了借鑒，但仍面臨如何實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的挑戰(zhàn)。

油價(jià)網(wǎng)指出，過(guò)去10年，太陽(yáng)能電池板效率已經(jīng)從17%左右提高至22%-29%，同時(shí)，生產(chǎn)成本持續(xù)下降，每瓦太陽(yáng)能電池板價(jià)格從約5美元下降到當(dāng)前的不足0.5美元。

量子材料帶來(lái)新驚喜

在太陽(yáng)能電池家族中，晶硅電池與薄膜電池兩大分支并駕齊驅(qū)，而鈣鈦礦電池作為薄膜電池中的佼佼者，憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)脫穎而出。近年來(lái)，鈣鈦礦電池取得巨大進(jìn)步，效率顯著提高，從2009年的3%左右提高到當(dāng)前的25%以上。

今年7月，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)徐集賢教授團(tuán)隊(duì)，成功研發(fā)出穩(wěn)態(tài)效率高達(dá)26.7%的鈣鈦礦電池，刷新了全球鈣鈦礦電池穩(wěn)態(tài)效率的世界紀(jì)錄。

事實(shí)上，由于鈣鈦礦電池的高性能和低生產(chǎn)成本，業(yè)內(nèi)一直對(duì)其前景持樂(lè)觀態(tài)度。不過(guò)，目前大多數(shù)鈣鈦礦電池檢測(cè)都是在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的。

值得一提的是，鈣鈦礦電池研發(fā)開(kāi)始向量子領(lǐng)域延展。國(guó)際期刊《科學(xué)進(jìn)展》報(bào)道稱(chēng)，4月，美國(guó)理海大學(xué)研究人員開(kāi)發(fā)出一種原子級(jí)厚度的量子材料——銅摻雜鍺硒/硫化錫異質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，外量子效率達(dá)到了前所未有的190%，可以將63%的陽(yáng)光能量轉(zhuǎn)換為電能，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了33.7%的肖克利-奎伊瑟效率理論極限，該理論極限認(rèn)為，在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下，單結(jié)太陽(yáng)能電池的理論最高效率不會(huì)超過(guò)33.7%。

據(jù)悉，這一研究主要應(yīng)用了在太陽(yáng)能電池和超導(dǎo)態(tài)研究中具有重要意義的中間能帶態(tài)?這一概念，其涉及材料電子結(jié)構(gòu)內(nèi)的特定能級(jí)，這些能級(jí)位于最佳子帶隙內(nèi)，使得材料能夠有效地吸收太陽(yáng)光并產(chǎn)生載流子，從而提高太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率。

這種量子材料限制了電子和空穴的自由運(yùn)動(dòng)，從而減少了電子和空穴的產(chǎn)熱結(jié)合，可以讓電池板產(chǎn)生更多電能。美國(guó)理海大學(xué)研究人員表示，目前，商業(yè)太陽(yáng)能電池板轉(zhuǎn)換效率大約在15%-20%，如果全部換成這種量子材料電池板，全球太陽(yáng)能發(fā)電量有望在目前基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)較大提升。

（文章來(lái)源：中國(guó)能源報(bào)）