太阳光电技术百家争鸣,提高转换效率为一大发展重点

近年来太阳光电不管是在装置量还是技术方面都成长迅速,2018 年新增装置量已突破 100GW,太阳能转换效率也在去年不断提高,不少厂商与研究所都已运用新技术大幅提升太阳能电池性能,盼可让太阳光电成本效益比更上一层楼。

太阳光电技术千百种,除了市面上最常见的硅晶太阳能,还有薄膜、三五族化合物半导体太阳能与尚未抵达商业化的有机、钙钛矿太阳能等,各种技术百家争鸣,并在 2018 年都已获得长足的进展,各国科学家纷纷透过添加新元素、打造串叠电池与运用奈米科技来提高光电转换效率。

其中光电转换效率是衡量太阳能电池把光转换为电的能力,目前市面上最普遍的硅晶转换效率为15-22%,但以大规模商业化的技术而言,预期效率很难超过 25%,能提高 1-2% 就已经不错了。太阳光电技术百家争鸣,提高转换效率为一大发展重点

因此各大厂无不积极提升转换效率,盼自家产品能展现出超乎预期的表现,而德国-哈梅恩太阳能研究所(ISFH)便迎来这项里程碑,该团队已突破世界纪录,研发出转换效率高达 26.1% 的 P 型多硅晶太阳能,更在去年 11 月声称準备好跨出实验室大门。

日前中国厂商隆基乐叶也将单晶太阳能中的 PERC 技术转换效率提高到 24.06%,可说是商业尺寸最高纪录者,同时亦打破业内此前认为的 24% 效率瓶颈。

而具有低成本、製程简单与可挠特性的染料敏化等有机太阳能也是一盏能源新星,俄罗斯、法国与哈萨克联合团队先前便在有机聚合物中添加氟原子,成功在去年 7 月将有机太阳能的转换效率从 3.7% 跃升至 10.2%;染料敏化太阳能则在澳洲团队的帮助下,转换效率提高到 8.3%,虽然距离商业化的 15% 标準还有一大段距离,但进展仍相当快速。

串叠电池技术受瞩目

近年来也有科学家为了提高转换效率,从在太阳能电池中添加新元素直接晋级到添加其他电池,让两种材料携手合作、截长补短。目前除了出现钙钛矿 + 硅太阳能的组合,铜铟镓硒(CIGS)薄膜 + 钙钛矿太阳能、硅 + 三五族化合物半导体太阳能等排列组合也纷纷登场,效率表现也十分不俗。

其中钙钛矿与硅是最常见的电池串叠组合,光是 2018 年有出现 4 项相关研究,这是因为硅晶太阳能板容易取得,发电性能也相当稳定;钙钛矿则进步潜力庞大,该技术转换效率已在短短 9 年间从 3.8% 上升到 23.3%,两者更可分工合作,钙钛矿主要将绿光、蓝光转换为电,硅负责红光、近红外光。

钙钛矿-硅太阳能的转换效率也稳坐串叠型电池第一名宝座,英国太阳能厂商 Oxford PV 继去年中旬打造转换效率高达 27.3% 的钙钛矿-硅晶太阳能之后,又在 12 月突破到 28%,与此同时更顺利解决钙钛矿耐用性较低的问题,商业化机率非常高。

位居转换效率第二名的串叠型电池一样为钙钛矿 + 硅太阳能,瑞士科学家去年 6 月打造出效率达 25.2% 的钙钛矿-硅晶太阳能,更乐观认为很快可以实现 30% 效率;不过第三名就不是硅与钙钛矿的组合了,比利时科学家把钙钛矿跟薄膜太阳能中转换效率最高的 CIGS 太阳能相结合,将转换效率增加到 24.6%。太阳光电技术百家争鸣,提高转换效率为一大发展重点

奈米技术助力光吸收

奈米为 21 世纪热门用词之一,现在许多新技术都藉由奈米科技来提高性能,而太阳能电池也不例外,不少科学家已在电池中加入奈米线、奈米粒子、奈米碳管等,试图善加利用奈米技术的高表面积来增加吸光效率。

像是香港科学家先前成功在此有所进展,结合高电导奈米材料与半导体二氧化钛奈米纤维,使太阳能转换效率增加 40-66%;美国国家标準暨技术研究院(NIST)也研发出低成本奈米级涂层,利用数千个宽度相当于头髮百分之一的奈米玻璃珠,让光波可绕着奈米珠粒旋转,进而提高光吸收与电流 20%。

美国太阳能公司 NovaSolix 则运用奈米碳管跟整流天线(rectifying antenna)製造有别于传统技术的新型太阳能,将转换效率跃升至 43%,72 片电池封装的太阳能板瓦数最高更达 860Wp,且该技术其理论效率更高达 90%,显然奈米科技是提升转换效率不可或缺的力量。

目前许多人都认为太阳能转换效率已触顶,这是因为传统的太阳能技术只能吸收特定波长的光,其他只能眼睁睁看着它们消散,这也就是知名的萧基‧奎伊瑟极限(Shockley-Queisser limit),即使在理想日照与温度环境,太阳能板最高也只能转换 33.7% 太阳光。

但如今科学家已透过奈米技术突破这一限制,虽然这些技术尚在研发阶段,製造过程比传统太阳能难得多,量产后更得面对成本挑战,但提高转换效率即可加速成本下滑,最终电价就可跟传统火力发电一样低了。


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