石墨制品的发展与2019年太阳能电池技术的进展

42.3%。这是2010年10月6日，美国Spire半导体公司宣布的最新成果。该公司研发的三结砷化镓（GaAs）太阳电池峰值效率达到了42.3%，聚光条件相当于406个太阳。

　　据悉，这款电池平台已经可以投入商业使用。 

  

　　一般来说，太阳能电池的光电转换效率只有 20%~30%。在此之前的世界纪录是波音全资子公司Spectrolab在2009年8月生产出的一款实验电池，转换率达到41.6%。 

  

　　2010年11月22日，另一项新纪录诞生。Spectrolab宣布，其开发的最新型地面用太阳电池C3MJ+已经开始批量生产，该系列太阳电池的平均光电转换效率可达39.2%，这是目前已量产的太阳能电池中转换效率最高的。 

  　　佐治亚理工学院教授王中林也正在试验类似的以光纤为基础的有机电池。他的实验室研发了一种含有光纤和附着在光纤外壁上的氧化锌纳米线的混合电池。尽管还没成功，王中林预计这种方法能将效率提高6倍。

　　在最新一期《纳米通讯》上，劳伦斯伯克利国家实验室和加州大学伯克利分校担任联席职位的化学家Ali Javey和他的小组报告说，他们开发的纳米柱阵列的吸光性不亚于甚至超过商用薄膜太阳能电池，但只使用非常少的半导体材料。 

　　多结太阳能电池通常用在聚光型光伏（CPV）应用方面。在2010年，获得突破的不仅仅是多结太阳能电池，在太阳能技术发展的各个方面都获得了很多进展。  

  

　　让太阳能电池捕捉更多阳光  

  

　　提高太阳能电池转换效率是科学家永恒的课题。目前，科研人员都在努力研究提高有机薄膜电池效率的化学过程。 

  

　　如日本秋田大学的研究小组开发出了将紫外线转换成可视光、对可视光呈透明状态的有机材料。旨在使目前太阳能电池未能有效利用的紫外线能够用于光电转换，以此来提高转换效率。 

  

　　据悉，将该材料涂布在非结晶Si型薄膜太阳能电池上时，转换效率比原来的数值提高了9％，用在转换效率为20％的太阳能电池上，有望实现22％的效率。 

  

　　2010年还有很多从结构上提高效率的尝试。 

  

　　如日本京瓷公司采用先进方法形成高品质的微晶硅，叠加非晶硅层和微晶硅层的串联构造的薄膜硅太阳能电池实现13.8％的转换效率。 

  

　　而多位美国科学家进行了通过增加表面吸光能力提高电池效率的尝试。 

  

　　标准平板电池的问题在于，不论它是用有机还是无机材料制成的，部分阳光会通过反射损失掉。为了减少这个损失，电池制造商将电池涂上了抗反射涂层，或者蚀刻电池的表面以增加光子吸收。  

　　美国维克森林大学的物理学教授David Carroll通过在构成电池基础的聚合物基质上加上一层垂直的光纤作为阳光捕捉装置。这层光纤像粗糙的胡子茬一样从表面突出。阳光能从任何角度进入光纤顶端，光子在光纤内部弹跳，直到它们被周围的有机电池吸收。实验发现，光纤大约增加了一半的太阳光吸收，理论上说，效率能超过15%。这使得有机光伏技术能够与硅电池竞争。 

  

  

  

　　该贴纸的表面是压印有微观结构的聚合物薄膜，能够改变入射光的方向，增加了阳光被吸收的几率，提高电池效率。美国国家可再生能源实验室的测试表明，这种薄膜可以使输出功率平均增加4%～12.5%。 

  

　　另外，总部位于加利福尼亚州的Innovalight公司研发了一种压印硅纳米粒子的方法，可以提高传统晶体硅太阳能电池板吸收阳光的量。 

  

　　实际上，纳米级的线、孔隙、凹凸块以及其他纹理都能极大改善太阳能电池的性能。但挑战在于如何扩展到大面积区域，许多方法太复杂而且不能解决这个问题。 2010年7月，斯坦福大学材料科学和工程系教授崔屹领导的研究团队发明了一种更简单、廉价的方法来创造大面积纳米级纹理。 

  

　　在《纳米快报》上，崔屹报告他的团队制成了超疏水表面和概念验证的太阳能设备。为了制造太阳能电池，研究人员把金属和非晶硅沉淀到凹凸不平的表面上。结果是，与使用同等数量材料的平整表面相比，它能多吸收42%的光线。崔屹希望纳米级的纹理使得用很少的材料制造高效薄膜太阳能电池成为可能。 

  

　　“这项研究展示了一种简单但有效的方法，实现在大面积区域内可控地聚集纳米球。”Ali Javey说，“这可能是一条通往更高效薄膜太阳能电池的道路，而不提高成本及生产工艺的复杂性。”  

　　新型太阳能电池系统频出  

  

　　一家名为Cogenra Solar的公司在加州北部一座葡萄酒厂中安装了新型的太阳能电池板。这组电池板结合了传统的太阳能光伏电池和一套余热收集系统，能同时产生电力和热能。 

  

　　实际上，美国还有很多科研团队在研发类似技术，都把目光放到了光伏之外，希望开发出太阳能的其他潜力。不过，这些技术都还处在研发初期。 

  

　　2010年8月，斯坦福大学工程师提出同时利用光伏和光热发电工艺并证明其可行。该过程被称为“光子增强热电子发射”或PETE。 

  

　　由于太阳能电池中的活性材料只能与特定的光谱发生反应，大多数的硅太阳能电池只能将阳光中15%的能量转化为电力，而一半以上太阳能以热量的形式浪费掉了。 

  

　　到目前为止还没有研究人员能掌握一种同时兼顾热能利用与光电转换的技术。斯坦福大学材料科学与工程副教授Nick Melosh的研究小组选择了一种涂覆有铯金属薄层的氮化镓半导体材料，这种材料能够同时利用光和热来发电，比现有的太阳电池技术效率翻番。 

  

　　Melosh 估计PETE 过程在阳光聚光情况下可达到50%的效率或更高，而如果与热转换循环相结合甚或可以达到60%，这几乎是现有系统转换效率的3倍。该小组的研究成果发表在2010年8 月1日的《自然—材料学》上。 

  　　Javey 说:“只要2微米高，我们的纳米柱阵列就能够吸收99%的光子，波长范围在300到900纳米之间，也不必依赖任何抗反射涂层。” 

  

　　还有一些研究人员致力于研究新型的抗反射太阳能电池涂层。如加州理工学院教授Harry Atwater和同事通过在纳米和微观层面精确地裁制材料结构，创造出几百纳米厚的金属薄膜。Atwater表示，此项目的目标是使薄膜的折射率恰好等于空气的折射率，这种物质不会使任何光线弯曲，而会无反射地完全传导。 

　　纵观这些方法，都是由纳米微粒组成的新型表面让太阳能电池捕捉更多阳光，来弥补有机薄膜太阳能电池的天生不足。

　　同样是提高表面吸光率，美国一家叫做Genie Lens的小型新创公司所研发的技术听起来更简单——只需把一张透明贴纸贴在太阳能电池板表面，就能增加输出功率。该技术不仅成本低廉，还可以用到已安装好的电池板上，并且可以应用于任何种类的太阳能电池板——包括多晶硅和薄膜太阳能电池板。 

　　美国麻省理工学院的研究人员于2010年10月25日宣布，他们精确地揭示了二钌富瓦烯（fulvalene diruthenium）分子的工作原理。这将有助于科学家研发出存储和释放热能而不是电能的新型电池。 

  

　　二钌富瓦烯分子被太阳光等照射后，会吸收电磁波，从外部对其进行轻微加热，或者添加某种催化剂，该分子便会在200℃左右的温度下发热，然后还原为发生变化之前的构造，并可多次重复。因此，从原理上讲，使用二钌富瓦烯制造的电池可按需存储和释放热能。但是，钌存在着稀缺性和成本高两个问题。通过这项研究，科学家可寻找比钌更便宜的替代品。 

　　在美国加州大学，新型石墨烯有机太阳能电池问世。虽然石墨烯有机太阳能电池的光电转化效率比不上硅太阳电池，但它造价低，并且柔韧性好，因此应用前景看好。例如可做成发电窗帘，甚至发电衣服。

　　而在麻省理工学院，2010年10月，研究人员展示了他们的纸一样薄的太阳能电池板样品，薄到甚至可以用打印机打印。虽然这些早期样品的转换率很低，但同石墨烯太阳能电池一样，应用前景广阔，可以贴在窗户或者笔记本电脑上。研究人员认为，该技术5年内能够实现商业化。  

  

　　此外，一个来自加拿大阿尔伯特大学和国家纳米技术研究院的研究小组将塑料太阳电池的使用寿命从几个小时扩展到了8 个月。 

  

　　沙漠是安放太阳能电池板的最佳地点之一。但是沙漠的风沙也会阻挡电池板吸收阳光。如阿联酋的一个大型10兆瓦太阳能发电厂就因为沙尘暴而使电力生产减少了40%。 

  

　　波士顿大学教授Malay Mazumder的研究小组提供了一种新技术——自我清洁的太阳能电池板。这是美国宇航局资助的两种太阳能电池板清洁技术之一，未来可能会服务于火星探测器。 

  

　　该系统利用了尘埃粒子在干燥的环境中带电的原理，使得它们在与电池板接触后被快速除去。据悉，这套系统能在两分钟的循环里除去90%的尘埃。 

  

　　2010年9月，据BBC报道，麻省理工学院研发出一种微型太阳能电池，它只有几十亿分之一米长，可进行自我修复，延长太阳能电池寿命。 

  

　　据介绍，该太阳能电池主要由蛋白质、极少量的碳和其他材料制成，可将太阳光转换成电荷进行供电。由于太阳能够提供源源不断的光线，这个设计和改进让科学界为之兴奋。  

  

　　成本降低是王道  

  

　　在效率和性能提高的同时，只有降低成本才能推广应用。 

  

　　三菱重工2010年建设的新一代薄膜太阳能电池生产线的目标是年产量达到50MW，转换效率达到15％。他们估计，2020年之前模块的制造成本可降至75日元/瓦。 

  

　　此外，尚德还联手几家国际公司寻找微型逆变器。这是另一项电子技术，也将会提高光伏系统的功率。 

  

　　《技术评论》认为，中国尚德集团是全球最大的晶体硅太阳能系统生产商，他们发现很难有进一步的提高，所以太阳能创新已转移到电子产品上。 

  

　　太阳能分析师Eric Wesoff说：“工程师们在最大限度地采用其他办法提高光伏电池的效率，他们更愿意尝试不同的电子产品。” 

　　成本的降低将帮助太阳能应用走向更广阔的空间。 

  

　　2010年1月初，丰田旗下子公司宣布开发出了依靠太阳能电池的提供给插电式混合动力车及电动汽车充电的太阳能充电站，目前已获得爱知县丰田市采用。 

  

　　据介绍，这种太阳能充电站装有太阳能发电系统和蓄电设备，并与商用电网连接。太阳能发的电剩余时，可在设置充电站的建筑物内使用，或出售给电力公司。当发生灾害时，还可作为应急电源。 

  

　　在美国，纽约也在2010年建起了第一座太阳能电动汽车充电站。