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新型太阳能电池从阳光中摄取更多的能量

2020-12-10李人茜

上海节能 2020年11期
关键词:钙钛矿电能太阳能

太阳能已处于一个蓬勃发展阶段。在世界上许多地方,没有污染的天空有助于将光能转化为电能,而光伏发电站效率更高和更可靠。与此同时,煤炭和燃气的发电需求在不断下降。英国仅4月20日太阳能发电就达到了9.7 GW的峰值,几乎占全国电力的30%,是通常日子的10倍;德国4月的1周,太阳能所占比例达23%,而2019年平均比例约为8%。

这些数字虽是暂时的,但令人印象深刻,揭示了太阳能已成熟。然而,尽管太阳能新的和闪亮的形象,但在某些方面,仍是一个旧技术。

第一块实用的太阳能电池是20世纪50年代在新泽西州贝尔实验室制造的,它的效率为6%,且非常昂贵。不过,事实证明,在即将到来的超级大国太空竞赛中,其在卫星动力方面有着巨大的应用,这使人们对太阳能保持了兴趣。

太阳能的发展,使成本逐渐降低,且效率提高了3倍,达到17%~20%,应用范围也在扩大,即使产能过剩的电网也更喜欢太阳能发电了。尽管太阳能电池在细节上有所改进,但原理还是保持不变:2层99.999 9%超纯硅,每层掺杂一种添加剂使其半导体化,吸收光并利用其能量使电子在两节电池间穿过从而产生电流。

对规模化的标准太阳能发电场,可继续使用该结构的太阳能电池。但许多人认为太阳能的潜力应该更大,一些人希望以激进的方式重新设计太阳能场,而另一些人认为太阳能应用规模不大,不需接入电网,但这两种观点都要求标准硅达到从未有过的效率,为此,都接受高价格的电池完成此目标。

提高电池效率的一种方法是增加电池层数以对应不同的太阳光谱,这意味着要使用其他材料。科学家们找到了一种称为III-V的半导体,即化学周期表中第III族元素(铝、镓和铟)和第V族(磷和砷)元素。事实上,砷化镓已用于卫星等领域。美国科罗拉多州国家可再生能源实验室John Geisz和他的同事已制造出一种包含多种III-V元素的6节电池,每节具有不同的光吸收特性。该电池在实验室条件下效率达47.1%,创造了新记录,随着进一步的工作,效率有望超过50%。

有趣的是,随着更多的光集中在电池上,它的效率会提高。将其布置在标准的太阳能发电场里,其效率略低一点,在40%左右。47%的数字是当它沐浴在相当于143个太阳的光照下得出的,即一个6节电池,配上适当排列的反射镜,产生的电能相当于面积为400倍的标准硅电池产生的电能,这就是颠覆性技术带来的成果。

另一种有前途的材料是钙钛矿,该名字原始物质是一种钙钛氧化物的矿物质,于1839年在乌拉尔山脉被发现,以俄罗斯矿物学家列夫·钙罗夫斯基伯爵的名字命名。然而,正如矿物质常见的方式,其所涉及的基本晶格可由多种原子构成,因此,“钙钛矿”成为这些变体的通用术语。

并非所有钙钛矿都是半导体,只有金属(如锡)和卤素(如氯、溴或碘)的组具有该特性,这些金属卤化物钙钛矿成分丰富且价格低廉。利用钙钛矿制造电池的领军者是成立于2010年的英国牛津光电公司,该公司利用牛津大学Henry Snaith在钙钛矿上所做的工作,设计出一种串联电池混合结构,即在硅层上覆盖钙钛矿。

该设计有两个好处:①与多层III-V电池一样,钙钛矿——硅串联电池将捕获太阳光的任务分开:上部钙钛矿层吸收蓝色光谱的光,下部硅层吸收其余波长一直到红光的光。在2018年一次测试中,该串联电池以28%的效率创下了同类电池的新纪录,而公司工程师们认为,最终效率可达35%左右。②采用标准工业流程就很容易制成太阳能电池板,有助于与传统太阳能电池板的竞争。目前,德国一个新建工厂将生产此类产品,希望明年能上市。

35%左右的效率是否足以替换硅电池现有的市场份额还有待观察。然而,钙钛矿具有硅所没有的特性,如在低光强度下工作。根据此特性,罗马Tor Vergata大学Thomas Brown教授和德国德累斯顿Fraunhofer大学John Fahlteich教授领导的研究小组开发出了能在建筑物内部照明水平下运行的太阳能,要知道,人工照明的能量远远少于阳光,尽管如此,根据Thomas Brown和John Fahlteich,该电池的转换效率达22.6%,可运行小型、低功耗设备,如无线传感器和遥控装置等。

尽管把室内人工照明再转换成电能有些奇怪,因为室内人工照明即是由电产生的。事实是,所有那些最终没有进入人眼的光线都被浪费掉了,这种方法只是减少了浪费程度。随着依赖传感器、无线控制系统和其他电子设备的物联网的发展,该方案还会得到更广泛的应用,如果有效的话,“电池不包括在内”的标签将从警告变成建议。

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