文 | 学术头条

近日，美国国家可再生能源实验室（ National Renewable Energy Laboratory，NREL） 研究出了迄今为止世界上最高效的太阳能电池，最高能量转换效率达到了 47.1%。

虽然这些转换效率的记录经常被打破，但至少就目前而言，47.1% 转换效率的太阳能电池可以称得上世界上最高效的太阳能电池。

最新的研究成果于 4 月 13 日发表在《自然能源》杂志上。

太阳能电池在提高转换效率的道路上不断向前迈进，正确的材料组合可以提高太阳能电池将太阳能转换为电能的能力。论文通讯作者，NREL 高效晶体光电池小组的首席科学家 John Geisz 表示：“这种新装置展示了多结太阳能电池的巨大潜力。”

比头发丝还细的太阳能电池

多结太阳电池是一种高效率的太阳能电池。每个电池有多个采用分子束外延或有机金属化学气相沉积法生成的薄膜，这些薄膜所构成的不同的半导体有不同的特征能隙，而这些能隙可以吸收光谱中特定频率的电磁波能量。

截止到目前的研究已经证明了，硅是太阳能电池效率的黄金标准（Gold Standard），仅使用硅的单结太阳能电池目前最高效率为 33%。

事实上，通过更换材料、添加更多结点以及在两者之间执行一系列工程技术，可以突破转换效率 33% 限制。例如，某些三结（three-junction）太阳能电池在阳光集中的情况下转换效率可能超过 45％。

太阳能电池 III-V 型六结结构示意图

而 NREL 最新研制出的太阳能电池是 III-V 型六结结构，其中“ III-V”是指光吸收元素在元素周期表上的位置，III-V 材料具有广泛的光吸收特性。该电池的六个连接点中的每个结点都经过专门设计，他们由六种不同类型的光敏层组成，可以捕获来自太阳光谱中特定部分的光。

通过现代工程和纳米技术，该装置总共包含约 140 层不同 III-V 材料层，以支持这些连接点的性能，但其宽度却仅仅只是人们头发丝的三分之一。

太阳能电池效率新纪录

为了探究该 III-V 型六结结构太阳能电池的性能，NERL 的科学家在聚集的光线下进行了测试，而这种聚集的光线强度是自然太阳光强度的 143 倍。

测试结果表明，他们的新太阳能电池在聚集的光线下转换效率达到了创纪录的 47.1％。

III-V 多结电池的共同开发者之一、NREL 科学家 Ryan France 称，将太阳能电池效率的潜力超过 50％ “实际上非常可能实现”，但由于热力学的基本限制，物体总在与外界交换能量，所以转换效率无法达到 100％ 的效率。

尽管该测试是在聚集的光线下进行，结果对应的效率会在实际使用中有所下降，但该团队表示，可以用反射镜构建设备从而以将太阳光聚焦到电池上。

同时，该研究团队还对这种新型电池在正常的太阳光照下进行了测试，其转换效率仍然达到 39.2％。39.2％ 的转换效率似乎并不出众，但仍然不容小觑。实际上，39.2%  的转换效率已经创下了太阳光照下转换效率的新世界纪录。

John Geisz 称，目前要使太阳能电池效率突破 50％，主要障碍是减少电池内部阻碍电流流动的电阻。

聚光光伏发电技术

更有意义的事情是，通过采用正常的太阳光照和聚集的光线时存在的转换效率差异表明，在大众市场上可能存在一种经济的方式来部署六结 III-V 型电池。

Ryan France 解释说：“在地球上，六结 III-V 型太阳能电池非常适合用于聚光光伏（concentrator photovoltaics）发电。降低成本的一种方法是减少所需的面积，可以通过使用镜子捕获光线并将光线聚焦到一点来做到这一点。”

也就是说，使用一个类似于相对低价的汇聚光线的镜子来汇聚光线在新型太阳能电池上，这样可以大大的降低该技术的使用成本。通过聚光，可以使用更少的半导体材料。同时，集中光线也会使该电池的效率会有所提高。”

根据 France 的说法，与传统的硅太阳能电池相比，达到相同的效果最终可能仅使用原有半导体材料数量级的 1/100 甚至 1 / 1000。

CSP 技术展示图，所有的日光反射装置共同把光线聚集在中心点

美国能源部在奥巴马政府期间展示了集中太阳能（Concentrating Solar Power，CSP）发电技术，当时该技术在市场上并不受欢迎。

但是，近年来，聚光光伏的发展至于真正开始。当前的重点是热能和能量存储，美国能源部近年来对聚光光伏发电技术的兴趣持续增强，特别是高温太阳能领域。比尔·盖茨（Bill Gates）也以高科技能源投资者的新身份涉足高温 CSP 领域。

而 NERL 展示的这项太阳能电池技术可能为 CSP 行业提供了另一条追求太阳能发展的途径。John Geisz 称表示，NREL 也会积极参与降低 III-V 太阳能电池的成本，从而为这些高效电池开辟新的市场。

参考资料：
https://www.nature.com/articles/s41560-020-0598-5
https://pvbuzz.com/solar-cell-efficiency-of-nearly-50-percent/
https://cleantechnica.com/2020/04/14/us-scientists-create-new-solar-cell-that-blows-past-theoretical-limit-but-why/