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啊不是,，聊一聊未來(lái)電池片持續(xù)提效至30%以上，逐漸走上人生巔峰的秘密,！ 那么,，哪些技術(shù)選項(xiàng)能夠?qū)⑻?yáng)能電池效率提升至30%以上呢。其中,，采用晶硅作為底電池和鈣鈦礦作為頂電池的雙結(jié)疊層電池是一項(xiàng)在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上均可行的選項(xiàng),。鈣鈦礦電池目前還存在許多問(wèn)題，特別是缺乏長(zhǎng)期穩(wěn)定性,，因此距離實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)還有很長(zhǎng)的一段路,。不過(guò)，此類(lèi)電池是目前唯一有望突破肖克利-奎伊瑟（Shockley-Queisser）極限,、光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到30%以上的可行解決方案,。憑借我們的低溫銀漿、PEDOT:PSS和導(dǎo)電膠,，賀利氏正在開(kāi)發(fā)一系列產(chǎn)品,，助力鈣鈦礦雙結(jié)疊層電池成為新一代太陽(yáng)能電池技術(shù)。  導(dǎo)言 晶硅PERC（鈍化發(fā)射極及背接觸）電池是目前最先進(jìn)的太陽(yáng)能電池技術(shù)之一,，其量產(chǎn)轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到22%,，并且相較薄膜電池或傳統(tǒng)鋁背場(chǎng)（BSF）電池， PERC電池的度電成本優(yōu)勢(shì)顯著,。 當(dāng)前的問(wèn)題是,，哪項(xiàng)技術(shù)將成為新一代太陽(yáng)能技術(shù)？ 僅采用單一吸收體材料的太陽(yáng)能電池在提高轉(zhuǎn)換效率方面的潛力非常有限,，其效率增益空間主要取決于吸收體的 禁帶寬度 ,。圖1所示為熱力學(xué)（細(xì)致平衡）效率極限與禁帶的關(guān)系曲線,。太陽(yáng)能電池的熱力學(xué)效率極限也叫肖克利-奎伊瑟（Shockley-Queisser）極限,，以首次計(jì)算出該極限的兩位物理學(xué)家命名。  圖1：最大理論效率與吸收體禁帶寬度的關(guān)系,。[1] 在AM1.5標(biāo)準(zhǔn)光譜下,，曲線上的最大值約為33%，對(duì)應(yīng)的禁帶寬度為1.1eV或1.4eV,。不過(guò),，效率峰值分布的范圍也比較廣,。當(dāng)禁帶寬度為0.9-1.7eV時(shí),，轉(zhuǎn)換效率也可超過(guò)30%,。因此，大多數(shù)太陽(yáng)光吸收材料的理論效率極限均較為相近,。 晶硅的理論效率極限約為32%。然而，如果稍微偏離理想條件,，考慮到（不可避免的）俄歇復(fù)合（Auger-Recombination），晶硅的效率極限便會(huì)降至29%左右,。 2017年,，日本鐘化集團(tuán)（Kaneka）開(kāi)發(fā)的一塊180cm2太陽(yáng)能電池創(chuàng)下了26.6%的轉(zhuǎn)換效率世界紀(jì)錄[2]，已經(jīng)比較接近理論極限,。PERC電池（工藝改進(jìn)）的轉(zhuǎn)換效率記錄目前由晶科保持,，效率高達(dá)23.9%[3]。 未來(lái)5到10年內(nèi),，晶硅太陽(yáng)能電池將達(dá)到25%左右的效率極限,。屆時(shí)，在不影響其成本優(yōu)勢(shì)的前提下,，電池量產(chǎn)技術(shù)將無(wú)法再進(jìn)一步完善,，這樣晶硅太陽(yáng)能電池技術(shù)就將失去主流技術(shù)所需要具備的經(jīng)濟(jì)可行性。晶硅電池達(dá)到上述極限的過(guò)程將相對(duì)容易,，主要依靠不斷降低光學(xué)損耗,、電阻損耗以及最關(guān)鍵的復(fù)合損失。這一過(guò)程不需要任何“真正的”顛覆性技術(shù),。  那么,，光伏行業(yè)的效率增益將會(huì)就此止步不前嗎？會(huì)不會(huì)所有的改進(jìn)措施都將依靠進(jìn)一步降低成本（以及通過(guò)冷卻等方法提高發(fā)電量）,？ 目前看來(lái),，唯一的辦法似乎只有突破肖克利-奎伊瑟極限。原則上,，有兩種方法可以提高太陽(yáng)能電池的理論效率極限：一是匯聚更多的太陽(yáng)光,；二是采用兩種及以上禁帶不同的吸收體材料。采用兩種吸收體的電池稱(chēng)為“雙結(jié)疊層電池”,，超過(guò)兩種吸收體的電池叫做“多結(jié)疊層電池”,。 若要提高單個(gè)太陽(yáng)能組件的發(fā)電量，最簡(jiǎn)單的方法之一就是使組件正反兩面都能收集太陽(yáng)光,。相較單面電池組件,，雙面電池組件能夠?qū)⒐夥到y(tǒng)的發(fā)電量提高10-20%，但新增成本卻微乎其微,。在集中式光伏系統(tǒng)中,，雙面電池組件已是大勢(shì)所趨,，而且此類(lèi)電站將是光伏裝機(jī)項(xiàng)目中的主力軍。 因此,，在開(kāi)發(fā)一項(xiàng)新的電池技術(shù)時(shí),，必須評(píng)估其與雙面技術(shù)的兼容性。 聚光電池 首先,，我們來(lái)看一下聚光電池技術(shù),。通過(guò)匯聚太陽(yáng)光，會(huì)產(chǎn)生更多的載流子,，同時(shí)其復(fù)合保持不變,，這樣開(kāi)路電壓就會(huì)升高，太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率也就隨之提高,。如圖2所示,，在理想條件下，電池效率隨著輻照強(qiáng)度增強(qiáng)而呈對(duì)數(shù)增長(zhǎng),。理論上來(lái)說(shuō),，如果匯聚的太陽(yáng)光增強(qiáng)1000倍，太陽(yáng)能電池效率可提高約25%（相對(duì)值）,，電池效率極限可提高約7%（絕對(duì)值）,。  圖2：不同串聯(lián)電阻下的電池效率與聚光比的關(guān)系 不過(guò)，在實(shí)際操作中,，聚光存在許多限制,，如光學(xué)損耗至少在15-20%、額外的電阻損耗,、溫度上升,、入射接收角較小、成本高昂等,。此外,，聚光電池技術(shù)與雙面技術(shù)也不兼容。因此,，基于單結(jié)電池的聚光光伏系統(tǒng)在性能上不如未采用聚光技術(shù)的電池,，并且成本還更高。我們不認(rèn)為聚光電池是突破肖克利-奎伊瑟極限的可行技術(shù),。 雙結(jié)疊層電池 雙結(jié)疊層電池技術(shù)或多結(jié)電池技術(shù)旨在改善較寬的太陽(yáng)光譜范圍與單一半導(dǎo)體局限的吸收邊限不相匹配的問(wèn)題,。圖3所示為AM1.5G標(biāo)準(zhǔn)光譜。在禁帶寬度為1.12 eV（約1100 nm）的晶硅太陽(yáng)能電池中,，能量較高（即波長(zhǎng)較短）的光子全部被吸收,，其剩余能量以熱能的形式消散于晶格中——這一過(guò)程叫做熱化。所有能量較低的光子均不被吸收,，而是直接進(jìn)入晶硅吸收體層,。這些光子在背接觸層被吸收并產(chǎn)生熱量，或被反射或穿過(guò)組件,。  圖3：晶硅太陽(yáng)能電池的光譜吸收和熱損耗,。 [1] 圖4描述了三結(jié)太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)：三種不同的材料串聯(lián)疊放。禁帶較寬的材料位于頂部,，可吸收所有能量大于其禁帶的光子,，其它光子將進(jìn)入下一層。在這一結(jié)構(gòu)中,，禁帶較寬的材料所產(chǎn)生的載流子的能量（VOC）將比禁帶較窄的材料所產(chǎn)生的載流子要高,，因此可有效減少熱損耗。添加一層禁帶較窄的材料可吸收更多的低能量光子,，從而提高產(chǎn)光生電流,。  圖4：三結(jié)太陽(yáng)能電池及相應(yīng)的吸光區(qū)域。[4] 如圖5所示,，雙結(jié)疊層電池的理論（細(xì)致平衡）效率極限取決于其頂電池和底電池的禁帶能量,。二者的最佳組合是0.95eV和1.7eV，這時(shí)效率最大值可達(dá)46%左右,。對(duì)于底電池材料來(lái)說(shuō),，晶硅是一個(gè)非常不錯(cuò)的選擇。配以禁帶寬度為1.8eV的頂電池,，轉(zhuǎn)換效率可達(dá)44%左右,。另外，雙結(jié)疊層電池技術(shù)與雙面電池組件技術(shù)相容,。根據(jù)不同的反射率,，晶硅底電池可通過(guò)背面額外收集10-20%的太陽(yáng)光。對(duì)于雙結(jié)疊層電池來(lái)說(shuō),，這意味著頂電池的禁帶寬度需要降低,，從而使其產(chǎn)生更多的電流，確保頂電池和底電池的電流相匹配,。因此,，在采用晶硅底電池的雙面雙結(jié)疊層電池中，頂電池的禁帶寬度最好降低至1.6eV左右,。  圖5：雙結(jié)疊層電池的（細(xì)致平衡）效率極限[1] 理論上來(lái)說(shuō),，雙結(jié)疊層電池技術(shù)可以將晶硅太陽(yáng)能電池的效率提高12%（絕對(duì)值）那么，雙結(jié)疊層電池技術(shù)能為量產(chǎn)太陽(yáng)能電池效率帶來(lái)又一次飛躍嗎,？ 采用III-V族半導(dǎo)體的雙結(jié)疊層電池或多結(jié)電池已被證明具有超高潛力：其實(shí)驗(yàn)室效率已超過(guò)46%[5],，量產(chǎn)效率約為40%。不過(guò),，III-V族半導(dǎo)體技術(shù)極其昂貴,。其中,，僅晶片成本就已經(jīng)是硅片的200倍以上。因此,，只有將太陽(yáng)光的聚光量提高500倍左右,，該技術(shù)才具有可行性?？偠灾?，由于成本過(guò)高，III-V族半導(dǎo)體技術(shù)目前依然無(wú)法與主流晶硅電池技術(shù)相抗衡,。 長(zhǎng)久以來(lái),，研發(fā)人員一直在尋找合適的吸收體材料來(lái)作為頂電池，與晶硅底電池搭配使用,。圖6顯示了與效率為25%的晶硅底電池組合時(shí),，頂電池所需要達(dá)到的效率[6]。 若要實(shí)現(xiàn)接近30%的電池效率,，當(dāng)采用禁帶寬度小于1.7eV的材料時(shí),，頂電池效率需要達(dá)到20%以上。到目前為止,，研發(fā)人員還未找到合適的材料,。碲化鎘（CdTe）本來(lái)有望成為候選材料，但其禁帶過(guò)窄,，只有1.4eV,。非晶硅和銅鎵硒（CGS）的禁帶寬度在1.7eV左右，比較合適,，但其轉(zhuǎn)換效率太低,。半導(dǎo)體量子結(jié)構(gòu)不僅不解決問(wèn)題，還會(huì)引發(fā)新的問(wèn)題,。 圖6：底電池效率不變,，頂電池所需達(dá)到的效率。[6] 目前,，頂電池有兩種潛在候選材料：III-V族半導(dǎo)體和鈣鈦礦,。 （未完待續(xù)） |
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