新型太陽(yáng)能電池從陽(yáng)光中攝取更多的能量

太陽(yáng)能已處于一個(gè)蓬勃發(fā)展階段。在世界上許多地方，沒(méi)有污染的天空有助于將光能轉(zhuǎn)化為電能，而光伏發(fā)電站效率更高和更可靠。與此同時(shí)，煤炭和燃?xì)獾陌l(fā)電需求在不斷下降。英國(guó)僅4月20日太陽(yáng)能發(fā)電就達(dá)到了9.7 GW的峰值，幾乎占全國(guó)電力的30%，是通常日子的10倍；德國(guó)4月的1周，太陽(yáng)能所占比例達(dá)23%，而2019年平均比例約為8%。

這些數(shù)字雖是暫時(shí)的，但令人印象深刻，揭示了太陽(yáng)能已成熟。然而，盡管太陽(yáng)能新的和閃亮的形象，但在某些方面，仍是一個(gè)舊技術(shù)。

第一塊實(shí)用的太陽(yáng)能電池是20世紀(jì)50年代在新澤西州貝爾實(shí)驗(yàn)室制造的，它的效率為6%，且非常昂貴。不過(guò)，事實(shí)證明，在即將到來(lái)的超級(jí)大國(guó)太空競(jìng)賽中，其在衛(wèi)星動(dòng)力方面有著巨大的應(yīng)用，這使人們對(duì)太陽(yáng)能保持了興趣。

太陽(yáng)能的發(fā)展，使成本逐漸降低，且效率提高了3倍，達(dá)到17%～20%，應(yīng)用范圍也在擴(kuò)大，即使產(chǎn)能過(guò)剩的電網(wǎng)也更喜歡太陽(yáng)能發(fā)電了。盡管太陽(yáng)能電池在細(xì)節(jié)上有所改進(jìn)，但原理還是保持不變：2層99.999 9%超純硅，每層摻雜一種添加劑使其半導(dǎo)體化，吸收光并利用其能量使電子在兩節(jié)電池間穿過(guò)從而產(chǎn)生電流。

對(duì)規(guī)?；臉?biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)能發(fā)電場(chǎng)，可繼續(xù)使用該結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能電池。但許多人認(rèn)為太陽(yáng)能的潛力應(yīng)該更大，一些人希望以激進(jìn)的方式重新設(shè)計(jì)太陽(yáng)能場(chǎng)，而另一些人認(rèn)為太陽(yáng)能應(yīng)用規(guī)模不大，不需接入電網(wǎng)，但這兩種觀點(diǎn)都要求標(biāo)準(zhǔn)硅達(dá)到從未有過(guò)的效率，為此，都接受高價(jià)格的電池完成此目標(biāo)。

提高電池效率的一種方法是增加電池層數(shù)以對(duì)應(yīng)不同的太陽(yáng)光譜，這意味著要使用其他材料?？茖W(xué)家們找到了一種稱(chēng)為III-V的半導(dǎo)體，即化學(xué)周期表中第III族元素（鋁、鎵和銦）和第V族（磷和砷）元素。事實(shí)上，砷化鎵已用于衛(wèi)星等領(lǐng)域。美國(guó)科羅拉多州國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室John Geisz和他的同事已制造出一種包含多種III-V元素的6節(jié)電池，每節(jié)具有不同的光吸收特性。該電池在實(shí)驗(yàn)室條件下效率達(dá)47.1%，創(chuàng)造了新記錄，隨著進(jìn)一步的工作，效率有望超過(guò)50%。

有趣的是，隨著更多的光集中在電池上，它的效率會(huì)提高。將其布置在標(biāo)準(zhǔn)的太陽(yáng)能發(fā)電場(chǎng)里，其效率略低一點(diǎn)，在40%左右。47%的數(shù)字是當(dāng)它沐浴在相當(dāng)于143個(gè)太陽(yáng)的光照下得出的，即一個(gè)6節(jié)電池，配上適當(dāng)排列的反射鏡，產(chǎn)生的電能相當(dāng)于面積為400倍的標(biāo)準(zhǔn)硅電池產(chǎn)生的電能，這就是顛覆性技術(shù)帶來(lái)的成果。

另一種有前途的材料是鈣鈦礦，該名字原始物質(zhì)是一種鈣鈦氧化物的礦物質(zhì)，于1839年在烏拉爾山脈被發(fā)現(xiàn)，以俄羅斯礦物學(xué)家列夫·鈣羅夫斯基伯爵的名字命名。然而，正如礦物質(zhì)常見(jiàn)的方式，其所涉及的基本晶格可由多種原子構(gòu)成，因此，“鈣鈦礦”成為這些變體的通用術(shù)語(yǔ)。

并非所有鈣鈦礦都是半導(dǎo)體，只有金屬（如錫）和鹵素（如氯、溴或碘）的組具有該特性，這些金屬鹵化物鈣鈦礦成分豐富且價(jià)格低廉。利用鈣鈦礦制造電池的領(lǐng)軍者是成立于2010年的英國(guó)牛津光電公司，該公司利用牛津大學(xué)Henry Snaith在鈣鈦礦上所做的工作，設(shè)計(jì)出一種串聯(lián)電池混合結(jié)構(gòu)，即在硅層上覆蓋鈣鈦礦。

該設(shè)計(jì)有兩個(gè)好處：①與多層III-V電池一樣，鈣鈦礦——硅串聯(lián)電池將捕獲太陽(yáng)光的任務(wù)分開(kāi)：上部鈣鈦礦層吸收藍(lán)色光譜的光，下部硅層吸收其余波長(zhǎng)一直到紅光的光。在2018年一次測(cè)試中，該串聯(lián)電池以28%的效率創(chuàng)下了同類(lèi)電池的新紀(jì)錄，而公司工程師們認(rèn)為，最終效率可達(dá)35%左右。②采用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)流程就很容易制成太陽(yáng)能電池板，有助于與傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池板的競(jìng)爭(zhēng)。目前，德國(guó)一個(gè)新建工廠將生產(chǎn)此類(lèi)產(chǎn)品，希望明年能上市。

35%左右的效率是否足以替換硅電池現(xiàn)有的市場(chǎng)份額還有待觀察。然而，鈣鈦礦具有硅所沒(méi)有的特性，如在低光強(qiáng)度下工作。根據(jù)此特性，羅馬Tor Vergata大學(xué)Thomas Brown教授和德國(guó)德累斯頓Fraunhofer大學(xué)John Fahlteich教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組開(kāi)發(fā)出了能在建筑物內(nèi)部照明水平下運(yùn)行的太陽(yáng)能，要知道，人工照明的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于陽(yáng)光，盡管如此，根據(jù)Thomas Brown和John Fahlteich，該電池的轉(zhuǎn)換效率達(dá)22.6%，可運(yùn)行小型、低功耗設(shè)備，如無(wú)線傳感器和遙控裝置等。

盡管把室內(nèi)人工照明再轉(zhuǎn)換成電能有些奇怪，因?yàn)槭覂?nèi)人工照明即是由電產(chǎn)生的。事實(shí)是，所有那些最終沒(méi)有進(jìn)入人眼的光線都被浪費(fèi)掉了，這種方法只是減少了浪費(fèi)程度。隨著依賴(lài)傳感器、無(wú)線控制系統(tǒng)和其他電子設(shè)備的物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，該方案還會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用，如果有效的話，“電池不包括在內(nèi)”的標(biāo)簽將從警告變成建議。