就太陽能光伏而言，盡管有商業(yè)替代品，但基于晶體硅的系統(tǒng)仍占據(jù)市場主導(dǎo)地位。2020年，基于硅片的光伏技術(shù)占全球總產(chǎn)量的95%。然而，預(yù)計(jì)晶體硅太陽能電池在生產(chǎn)中將達(dá)到約26%的實(shí)際電池效率極限。

在最近的一項(xiàng)研究中，英國牛津光伏公司的研究人員采取了不同的策略，提出光伏產(chǎn)業(yè)的下一個(gè)可行步驟是串聯(lián)太陽能電池（Appl.Phys.Lett.，doi：10.1063/5.0054086）。特別是，他們概述了該公司在創(chuàng)造商業(yè)鈣鈦礦/硅串聯(lián)器件方面的成功，其功率轉(zhuǎn)換效率為29.52%，超過了晶體硅太陽能電池的理論上限（29.5%）。

協(xié)同工作

串聯(lián)電池結(jié)合了兩種類型的太陽能吸收材料，將太陽光譜分成多個(gè)波段，以實(shí)現(xiàn)更高的效率。例如，帶隙在0.8到1.2eV之間的底部電池與帶隙在1.5到1.8eV之間的頂部電池耦合，原則上可以達(dá)到大于40%的功率轉(zhuǎn)換效率。

OxfordPV是牛津大學(xué)實(shí)驗(yàn)室的衍生產(chǎn)品，于2013年開始使用鈣鈦礦作為太陽能吸收器。憑借其低材料成本、易于制造和快速提高功率轉(zhuǎn)換效率，鈣鈦礦設(shè)備已成為潛在的領(lǐng)先候選者下一代商用太陽能電池（參見“鈣鈦礦光伏：未來之路”，OPN，2020年11月）。對(duì)于串聯(lián)，研究人員決定在底部電池中使用經(jīng)過驗(yàn)證的硅，在頂部電池中使用新興的鈣鈦礦。

“當(dāng)時(shí)我們知道鈣鈦礦本身可以用作薄膜技術(shù)，”研究作者兼牛津光伏材料研究主管勞拉米蘭達(dá)佩雷斯說。“但是，為什么[我們擁有]一項(xiàng)新發(fā)現(xiàn)的技術(shù)要與一項(xiàng)成熟的技術(shù)競爭，而不是讓它協(xié)同工作并利用學(xué)習(xí)曲線和當(dāng)前的制造結(jié)構(gòu)？并且做出了決定。”

創(chuàng)紀(jì)錄的效率

由于鈣鈦礦層捕捉太陽光譜的藍(lán)色區(qū)域，而硅層捕捉紅色區(qū)域，他們最近獲得認(rèn)證的串聯(lián)器件的效率達(dá)到了29.52%，這超過了所有非集中單結(jié)的效率太陽能技術(shù)。MirandaPérez和她的同事認(rèn)為，功率輸出的增加超過了制造串聯(lián)太陽能電池的額外制造成本。

“與傳統(tǒng)硅電池相比，我們的最終產(chǎn)品可以產(chǎn)生至少20%以上的功率輸出，”她說。“我們的太陽能電池效率更高，非常適合作為空間受限區(qū)域（例如屋頂）的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。您可以從同一區(qū)域獲得更多功率。”

該公司的串聯(lián)電池又重又硬，尺寸和形狀與傳統(tǒng)硅太陽能電池相匹配。在此過程中，研究人員需要克服許多挑戰(zhàn)，包括將鈣鈦礦整合到當(dāng)前主流的硅生產(chǎn)線中，并確保鈣鈦礦層在25年或更長時(shí)間的行業(yè)預(yù)期中保持穩(wěn)定。

進(jìn)入市場

但MirandaPérez聲稱這些問題已經(jīng)得到解決，OxfordPV目前正在德國完成世界上第一條硅基鈣鈦礦生產(chǎn)線的安裝，希望在2022年之前進(jìn)入市場。鈣鈦礦串聯(lián)電池已經(jīng)通過了國際電工委員會(huì)針對(duì)戶外硅電池的一系列加速壓力測(cè)試，稱為IEC61215。

MirandaPérez說：“我們繼續(xù)開發(fā)改進(jìn)我們當(dāng)前產(chǎn)品的路線圖，為33%的太陽能電池奠定了基礎(chǔ)。”“與此同時(shí)，我們正在尋找可能將效率提高到39%的下一代設(shè)備。”