太阳能电池的未来创新材料有哪些？

太阳能是仅次于水电和风能的第三大可再生能源，已成为化石燃料强大的替代品。照射在地球上的阳光是世界能源使用总量的 10,000 多倍，而收集尽可能多的太阳能的技术正在迅速发展。自 1954 年贝尔实验室制造出第一块商用硅 (Si) 太阳能电池板以来，当今最常见的技术使用不同形式的硅基太阳能电池，那么太阳能电池的未来创新材料有哪些？



根据IEA的市场分析，太阳能光伏 (PV) 的发电量——将阳光转化为电能的过程——已从 2018 年的 585 TWh 达到 2019 年的 720 TWh，预计到 2025 年将增长到 1,940 TWh。目前全球最大太阳能装机容量592GW，占全球发电量的2.2%。

太阳能电池的未来创新材料介绍：

典型的太阳能电池包括半导体材料，例如具有连接到外部电路的层状pn结的p型和n型硅组成。面板上的阳光照射导致电子从硅中射出。在内部电场下射出的电子产生通过 pn 结和外部电路的流动，从而产生电流。随着市场的快速增长和创造性应用的发展，太阳能电池的未来创新材料的研发正处于高峰期，以低成本实现最大的太阳能发电效率。当今三种高度研究的半导体材料是晶体硅、薄膜和下一代钙钛矿太阳能电池 (PSC)。

一、结晶硅

晶体硅 (c-Si)是太阳能电池板中使用最多的半导体材料，占据全球光伏市场的 90% 以上，尽管效率明显低于理论极限（~30%）。由替代的低成本和高效材料制成的太阳能电池正在出现。

国家可再生能源实验室 (NREL) 正在推动高效晶体光伏的开发，其中包括 III-V 多结材料（目标效率 >30%）和混合串联 III-V/Si 太阳能电池。他们的六结 III-V 太阳能电池在集中光下的效率达到了 47.1%。此外，基于硅的双面技术可以从面板的两侧收集太阳能，与标准面板相比，效率提高了 11%。



二、薄膜

第二代薄膜太阳能电池由于其窄设计（与标准硅面板相比光吸收层小 350 倍）、重量轻、灵活性和易于安装而成为最有前途的光伏技术之一。通常，在其结构中使用四种类型的材料：碲化镉 (CdTe)、非晶硅、铜铟镓硒 (CIGS) 和砷化镓 (GaAs)。虽然 CdTe 由于镉而存在毒性问题，但事实证明 CIGS 太阳能电池是住宅和商业设施中更有前途的高效和经济选择，效率高达 21%。



三、钙钛矿太阳能电池

在下一代太阳能电池中，混合金属卤化物钙钛矿太阳能电池（PSCs）以其低廉的价格、更薄的设计、低温加工和优异的光吸收性能（在低散射光下的良好性能）而受到广泛关注。PSC 可以是灵活的、重量轻的和半透明的。值得注意的是，钙钛矿薄膜也可以印刷，从而实现可扩展的高通量制造，最近的卷对卷印刷 PSC 的效率已达到12.2%，是印刷 PSC 中最高的。

值得注意的是，如Oxford PV所证明的那样，钙钛矿和硅光伏材料的组合在实验室条件下显示出高达 28% 的创纪录效率。虽然稳定性和耐用性仍然是一个主要问题，但最近的低成本聚合物玻璃堆叠封装系统使 PSC 能够承受标准操作条件。尽管 PSC 仍未商业化，但它们具有显着的经济和效率优势，可以推动太阳能市场的未来发展。



有哪些突破性的集成太阳能电池技术？

除了创新材料，收集更多太阳能的创造性方法也在不断涌现。例如，瑞士初创公司Insolight正在面板的保护玻璃中使用集成透镜作为光学增强器，将光束聚集 200 倍，同时达到 30% 的效率。最近的另一个发展是设计热辐射光伏设备或反向太阳能电池板的原型，它可以利用从电池板辐射到光学耦合深空的热量在夜间发电，该深空用作散热器。


（图片显示反向太阳能电池板概念如何工作的图形摘要）

有趣的是，随着创新材料的出现，标准屋顶安装以外的综合应用也在兴起，目前还处于起步阶段。例如，如果有集成的膜蒸馏附件，太阳能蒸馏可以收集太阳能，同时利用面板散发的热量来净化水。

未来的另一项变革性技术可能是太阳能涂料，其中包括太阳能涂料氢（通过光伏水分解产生能量）、量子点（光伏涂料）和钙钛矿基涂料。此外，透明太阳能窗是高度创新的应用，Ubiquitous Energy凭借其透明材料实现了10%的太阳能到电力的转换效率。

随着低成本、高性能半导体材料、节省空间的薄膜和易于安装的技术的快速发展，太阳能电池的未来在五年内仍会蓬勃发展。尽管大流行造成了挫折，但到2024年太阳能装置的预期成本降低15% 至 35%令人鼓舞，并且可以使这种可再生能源更加实惠。