劉春娜

近日，有消息稱，電動汽車制造商特斯拉將成為首家太陽能充電鋰電池制造商與銷售商，其設計的太陽能充電電池可供家用和商用，為此特斯拉成立了新部門——特斯拉能源。特斯拉認為，其開發(fā)的新型Powerwall家用儲能電池以及商用電池系統(tǒng)Powerpack，將有助于全球?qū)崿F(xiàn)從化石燃料向可持續(xù)能源的轉(zhuǎn)變。Powerwall是一種固定在墻面上的電池，利用太陽能實現(xiàn)家庭供電，也可為低用能設備供電。家庭用電池組Powerwall的尺寸為高130厘米、寬86厘米、厚18厘米，該電池有多種顏色可選，并提供10年質(zhì)保，可在用電低峰時自動儲電，并在高峰時段為家用設備供電。通常，太陽能板發(fā)電超出需求的部分將以折扣價進入電網(wǎng)，家用或商業(yè)用戶可在下次需要時購買。在太陽能源不充足和停電的情況下，新型電池可通過應急儲備為用戶供電。太陽電池系統(tǒng)還能為電網(wǎng)之外的家用設備、商用設備以及其他裝置供電。特斯拉電池公共事業(yè)版本將推出100 kWh電池組，組合容量可達500 kWh至10 MWh，可通過并網(wǎng)發(fā)電雙向轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)2~4 h的持續(xù)供電。同時，電池組還能滿足多種公用規(guī)模供電。

不只是特斯拉對太陽電池興趣盎然，下面一些研究機構(gòu)在最近一段時期也對太陽電池的研發(fā)充滿了熱情。

日本Kaneka太陽電池廠已攜手韓國成均館大學的研發(fā)團隊研發(fā)出可大幅提高太陽電池面板光電轉(zhuǎn)換率的新技術(shù)，該技術(shù)可將太陽電池轉(zhuǎn)換效率提升至全球最高的28%水準，和現(xiàn)在量產(chǎn)的高效率太陽電池面板相比高出4成，且Kaneka計劃在早期內(nèi)完善量產(chǎn)體制，目標為在美國等市場搶下大單；目前民用太陽電池面板轉(zhuǎn)換率全球最高水準為Panasonic制造的25.6%。據(jù)Kaneka表示，和現(xiàn)行主流的太陽電池面板(轉(zhuǎn)換率約20%)相比，在相同的日照條件下，采用Kaneka新技術(shù)的面板發(fā)電量可多出4成以上。Kaneka期望依靠上述新技術(shù)擴大太陽電池事業(yè)版圖。

日本國立物質(zhì)材料研究機構(gòu)(NIMS)研發(fā)的鈣鈦礦太陽電池的能源轉(zhuǎn)換效率記錄首次得到了國際標準測試機構(gòu)的認可，轉(zhuǎn)換效率達到15%。鈣鈦礦太陽電池自2009年首次作為太陽電池材料公開以來，轉(zhuǎn)換效率迅速提高，作為新一代太陽電池受到了全球的關(guān)注。由于可以在基板和薄膜上涂布制造，利用印刷技術(shù)量產(chǎn)，能較以往的太陽電池大幅降低制造成本。此前報道過的鈣鈦礦太陽電池的轉(zhuǎn)換效率，基本都是以小面積電池單元(約0.1 cm2)獲得的數(shù)值。2014年有過轉(zhuǎn)換效率20.1%(單元面積為0.095 5 cm2)的報道，但由于單元面積較小，測量誤差大，而且測量方法也未公開。NIMS的研發(fā)小組通過改良發(fā)電層使用的鈣鈦礦的涂布方法，控制了表面的凹凸，提高了轉(zhuǎn)換效率及其再現(xiàn)性。另外，電荷(載流子)輸送層的材料以前吸濕性較高，會很快導致轉(zhuǎn)換效率降低，因此新開發(fā)了吸濕性低、載流子遷移率高的材料，成功改善了穩(wěn)定性?；谶@些成果，將太陽電池單元的面積擴大到了1 cm2以上，并通過改良元件的制作方法，使鈣鈦礦太陽電池首次在產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所光伏發(fā)電研究中心評估標準小組的測試中實現(xiàn)了15%的轉(zhuǎn)換效率。NIMS表示，今后將以該成果為基礎(chǔ)，開發(fā)性能更高的載流子運輸材料，并通過控制鈣鈦礦太陽電池的界面，實現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)換效率。

美國麻省理工學院(MIT)和斯坦福大學的研究人員聯(lián)合試制出了由單晶硅太陽電池和鈣鈦礦太陽電池層疊而成的串聯(lián)結(jié)構(gòu)的太陽電池。雖然轉(zhuǎn)換效率還不夠高，只有13.7%，但雙方制定了轉(zhuǎn)換效率達到29%的目標，預計最終有可能超過35%。如果目標得以實現(xiàn)，這將制造出轉(zhuǎn)換效率高且制造成本低的太陽電池。對鈣鈦礦太陽電池而言，可用于發(fā)電的光波長區(qū)域稍偏向于短波長區(qū)。而對硅類太陽電池而言，長波長的可見光和近紅外線更有助于發(fā)電。因此，研究人員普遍認為：將兩者組合起來，可以使用更廣泛波長的光和近紅外線，能制造出效率遠超過現(xiàn)有硅類太陽電池的太陽電池。最早嘗試將兩者組合在一起的是MIT。MIT試制出了頂層單元采用鈣鈦礦太陽電池、底層單元采用單晶硅太陽電池的串聯(lián)結(jié)構(gòu)的太陽電池。據(jù)介紹，以前也有將鈣鈦礦太陽電池和硅類太陽電池簡單重疊的例子，但是分別導出電力。這次是第一次將兩種太陽電池做成一個整體元件。目前試制出的串聯(lián)結(jié)構(gòu)的太陽電池轉(zhuǎn)換效率只有13.7%的原因主要是：(1)MIT等制作的單晶硅太陽電池和鈣鈦礦太陽電池因元件優(yōu)化不充分，各太陽電池的單體性能都很低；(2)鈣鈦礦太陽電池中的電流特別小，整個元件的電流值有限等。關(guān)于(1)，單晶硅太陽電池單體的轉(zhuǎn)換效率為13.8%，鈣鈦礦太陽電池單體的轉(zhuǎn)換效率為13.5%。MIT認為此次試制的串聯(lián)結(jié)構(gòu)太陽電池，如果采用優(yōu)化技術(shù)，使各太陽電池達到最高效率，那么此電池的轉(zhuǎn)換效率將達到29.0%。目前面臨的課題是尋找作為鈣鈦礦太陽電池主要材料之一的鉛(Pb)的替代材料以及改善其容易劣化、元件壽命較短的缺點。

布朗大學研究人員研發(fā)出一種制造太陽電池所用的吸光鈣鈦礦薄膜的新方法。制造鈣鈦礦薄膜有不同方法，但大部分都要使用熱力。將鈣鈦礦的前驅(qū)物質(zhì)化學品溶解在一種液體里，之后涂在一片基質(zhì)上。加熱把溶液移除后，留在基質(zhì)上的鈣鈦礦晶體便形成一片薄膜。布朗大學的研究人員找到了不必加熱的方法，即溶液-溶液抽除法來制造鈣鈦礦薄膜。這種方法是利用室溫溶劑浸泡來制造鈣鈦礦晶體，取代現(xiàn)時結(jié)晶所用的加熱法。研究人員先把鈣鈦礦前驅(qū)物質(zhì)溶在NMP溶劑中并涂在基質(zhì)上，之后取代加熱的是把基質(zhì)浸泡在第二種溶劑乙醚中來選擇性地抽走NMP溶劑。該方法可以精準控制生產(chǎn)出大面積高質(zhì)量結(jié)晶薄膜，并有望成為日后量產(chǎn)鈣鈦礦太陽電池的方向。

美國賓州州立大學宣布開發(fā)出了厚度僅1 cm、無需外置太陽追蹤裝置的聚光式光伏發(fā)電(CPV)電池板技術(shù)。利用此技術(shù)，人們可以在個人住宅的房頂設置CPV電池板。研究人員利用3D打印機制作了直徑為12.7 mm 的樹脂制小型聚光鏡，在兩枚聚光鏡之間設置了約1 mm2的多結(jié)化合物太陽電池。太陽電池貼在透明的樹脂板上，連同樹脂板一起朝著與太陽移動軌跡相反的方向移動。聚光鏡之間的距離為1～2 mm，包括聚光鏡在內(nèi)的電池板厚度約為1 cm。兩枚聚光鏡中，上部聚光鏡作為普通的凸透鏡，下部聚光鏡作為凹面鏡發(fā)揮作用。研究人員設計的聚光鏡使穿過上部聚光鏡的太陽光被下部聚光鏡反射，正好在太陽電池單元的位置成像?？紤]到太陽光最強的波長在一天中會變化，他們還設計了聚光鏡的曲率。正午前后太陽光從聚光鏡正面入射時，將聚光鏡的曲率優(yōu)化為藍色光的波長，在早上和傍晚太陽光斜著入射聚光鏡時，優(yōu)化為紅色光。據(jù)介紹，電池單元一天的移動距離約為1 cm，每天可實現(xiàn)8 h的太陽能發(fā)電。理論上的聚光倍率高達200倍以上。但由于研究人員實際制作的電池板由于3D打印機的制作精度較低，聚光倍率只有100倍以上。此外，多結(jié)化合物太陽電池的發(fā)電效率雖然是普通Si類太陽電池的2倍或2倍以上，但價格高達相同面積Si類太陽電池的100倍以上。因此，其用途僅限于人造衛(wèi)星、太陽能汽車挑戰(zhàn)賽以及CPV系統(tǒng)等。

美國密歇根州立大學研究人員開發(fā)出一種高透明的太陽電池。由于電池中有機材料僅吸收紅外以及紫外光線，整個模塊難以被人類肉眼識別。太陽電池的原理在于將太陽光中的太陽能轉(zhuǎn)化為電能，因此，太陽電池透明度越高，能源轉(zhuǎn)換效率則將隨之越低。倘若組件完全透明，能源轉(zhuǎn)換率便下降至零。在此之前，最先進的研發(fā)成果是半透明太陽電池。而如今，密歇根州立大學研究人員通過研究并利用人類肉眼無法識別的光線，成功地開發(fā)出了完全透明的太陽電池。若發(fā)展良好，透明太陽電池便有望代替?zhèn)鹘y(tǒng)玻璃，鑲嵌在建筑物窗戶上，節(jié)約空間的同時產(chǎn)生電能，并且絲毫不影響個人感官。電池薄膜由有機鹽分子構(gòu)成，可以吸收人類肉眼無法察覺的太陽能光譜。研究人員進行了多次嘗試，才最終找到了僅僅吸收紫外和近紅外光的材料。這次創(chuàng)新為產(chǎn)品帶來了極大的靈活性。即使是在技術(shù)的早期開發(fā)階段，組件便已具備能夠迅速、大規(guī)模、低成本生產(chǎn)的潛力。不僅是建筑物窗戶，甚至一切玻璃制品如電腦、電視屏幕以及移動電話都可以運用該技術(shù)。當然，在技術(shù)真正投產(chǎn)之前，很多問題仍然有待完善。例如，目前研發(fā)出的太陽電池轉(zhuǎn)化率僅有1%。研究人員預計，優(yōu)化材料結(jié)構(gòu)后，發(fā)電率將有望超過5%。雖然發(fā)電效率不及半透明太陽電池高，然而，憑借得天獨厚的完全透明性，足以保障產(chǎn)品無孔不入，彌補效率弱勢。

瑞典Sol Voltaics公司使用一種砷化鎵納米線陣列(GaAs NWA)，提高了太陽電池轉(zhuǎn)換效率。經(jīng)過Fraunhofer-ISE的獨立驗證，Sol Voltaics已經(jīng)證明，GaAs NWA太陽電池的轉(zhuǎn)換效率為15.3%。這是迄今報道的III-V族納米線陣列太陽電池的最高效率，是以前的砷化鎵納米線陣列技術(shù)轉(zhuǎn)換效率的一倍。對于光伏應用，控制原生GaAs表面狀態(tài)的高密度至關(guān)重要，這些結(jié)果證明，Sol Voltaic公司已經(jīng)解決了太陽電池納米線生長中的這個挑戰(zhàn)。公司的砷化鎵納米線的效率，是其低成本薄膜的重要方面。使用Sol Voltaic的納米線生產(chǎn)方法，使得其III-V族薄膜能夠以具有競爭性的成本進行生產(chǎn)。公司正期待著與產(chǎn)業(yè)中的合作伙伴一起把該技術(shù)用到硅電池中，以爭取把效率躍升到27%甚至更高。

俄羅斯約飛技術(shù)研究所(Ioffe Technologies Institute)成功制成異質(zhì)結(jié)太陽電池組件的工業(yè)原型，該組件由超薄晶體硅層構(gòu)成。樣品顯示，該產(chǎn)品轉(zhuǎn)換效率超過20%，并且在系統(tǒng)整個區(qū)域都展現(xiàn)了良好的再現(xiàn)性。據(jù)約飛研究所發(fā)布的聲明稱，近年來，此類太陽電池的效率已取得了重大突破，如今實驗室樣品的轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達到25.6%，這已經(jīng)超越了同類晶體硅結(jié)構(gòu)組件的轉(zhuǎn)化效率水平。約飛研究所稱，上述研究成果已經(jīng)得到應用，位于新切博克薩爾斯克(Novocheboksarsk)的Xevel工廠將利用該項技術(shù)升級其光伏組件技術(shù)路線。

俄羅斯托木斯克國立大學(Tomsk State University，TSU)正在研發(fā)一種新型柔性太陽電池，可用于多種用途?？茖W家們表示正與俄羅斯科研機構(gòu)、本土企業(yè)的同事們聯(lián)手合作研發(fā)一種新型柔性太陽電池——Graetzel電池(也稱染料敏化太陽電池)，可用于多種用途。TSU預計該電池將更輕便、更價廉，主要采用創(chuàng)新型材料氧化物納米材料及它們的組合物?？茖W家表示，捕獲氧化物的解決方案適用于任何柔性材料，例如薄型玻璃、布料、金屬以及聚合物材質(zhì)。經(jīng)高溫曝曬之后，材料表面形成超薄復合鍍層——能夠?qū)⑻柟廪D(zhuǎn)換成電力。TSU稱，這項新技術(shù)可運用于各種不同的領(lǐng)域，例如家務活動、農(nóng)業(yè)及國防工業(yè)。生產(chǎn)這類材料的技術(shù)復雜性主要源于所有制造工藝均具有必要性，且需要非常低的溫度環(huán)境，直至氧化物納米顆粒與它們的氧化物形成。此舉可令納米粒子在陽光下附著于紋理結(jié)構(gòu)。該電池可以被卷起，還可用于創(chuàng)造能夠利用太陽能發(fā)熱的布料。此類布料非常適合于在北極或嚴峻工作條件下工作的人。這類電池對太陽的輻射度非常敏感，可在惡劣天氣下發(fā)電，哪怕是陰雨天。

總而言之，太陽電池在研發(fā)方面的每一個微小進步，都將有助于這一清潔能源拓展其更廣泛的應用領(lǐng)域，有助于其健康、快速地發(fā)展。