新型太阳能技术将为我们提供电力供应

2019年9月28日 17:01

每小时太阳光照射到地球上的能量就足以满足全世界一整年的能源需求,但问题在于怎样有效将光能转化为电能。

即使在实验室条件下,全世界最好的单结太阳能电池(太阳能电池板上用的那种),最大能量转换效率也不过是29%,这才达到理论最大值的1/3。

不过达到光伏转换(就是将光能转换为电能的过程)的极限可能没有想象的那么难。

太阳能电池效率的极限,也被称为肖克利-奎伊瑟极限,在29%-33%之间,取决于你的测量方式。

这个极限针对的是单结电池,即只使用一种半导体材料的电池,且对应的是直接被太阳光照射的方式转换能量。

科学家尝试过在电池上堆叠多种半导体,或者用透镜使光线聚焦,以获得远超阳光强度的光源的方法。

比如今年早些时候,美国国家再生能源实验室就创立一项世界纪录,用六结电池,并采用强度高达143倍阳光的光源,实现了47.1%的转换效率。

但这种技术没有打破理论极限,也并不现实。多材料的叠层电池结构太复杂,生产成本过于高昂。

所以要想把更多的太阳能转换到我们的电网中,真正要做的是弄清怎么提高单结电池的效率,使其接近肖克利-奎伊瑟极限。因为单结电池结构简单、制造成本低廉,这才是通往实用之路。

上周发表与《自然》杂志的一篇论文中讲到,有团队在太阳能电池表面覆盖一薄层的并四苯。并四苯属于一种有机小分子,它能有效地吸收光子并转化成两倍光子数量的激子对。

并四苯的激子分离作用,使普通太阳能电池也可以吸收并转化可见光谱中的高能蓝光了。此前,硅的带隙决定了其最适合吸收近红外波段的光子,而太阳光中的近红外光子的能量只是不多的一部分,并四苯的存在填补了吸收短波长光谱的空白。

这种电池的理论转换效率高达35%,超过了现有的单结电池效率理论极限。不过这项技术仍离实用很遥远,首先要使并四苯与硅联动,需要在二者之间加一层界面材料。该团队找到的方案是引入一层8埃厚的氮氧化铪,而最终的实验效率仅有6%,比普通硅电池还低不少,看来这种思路还有很长路要走。

另一类思路,如MIT的一只团队,用目前正火热的“钙钛矿”材料做光伏电池。钙钛矿电池相比硅电池有独特的优点,如钙钛矿电池对于缺陷的包容性很好,即使有一些缺陷也能运行良好。

而硅电池的制造过程中如果引入了一点点灰尘,就会导致电池完全损坏。世界上第一个钙钛矿电池器件诞生于20年前,然而钙钛矿研究的进展十分迅速,如今钙钛矿太阳能电池器件的转换效率已经快赶上硅电池了。

但硅电池仍然作为太阳能技术主导,其原因之一就是硅已经在电子技术中得到广泛运用,这促使科学家们深入地研究硅,如今科学家已经对硅了若指掌。此外,硅电池已经向世人展示其长达20年的使用寿命,那么其他电池如钙钛矿电池要想达到商用标准,也必须证明自己能满足“20年寿命”的要求。

如今已经有一些公司在研发小尺寸的钙钛矿电池,希望他们会为钙钛矿技术的应用铺平道路。

要将这些实验室中的研究推广到商业应用,还有很多工作要做。未来我们的电网中引入的太阳能恐怕会用时采用多种太阳能技术,多种电池并行,以在不同情况下各自发挥所长。