Science：串联有力量！

世界上转化效率最高的串联太阳能电池，由硅基电池和钙钛矿叠层构成。

(相关资料图)

上周四，Science刊发题为《串联有力量》的重要文章，介绍科学家如何通过叠层方法，将大约三分之一的太阳光转化为电能，从而创纪录地提升了太阳能电池的转化效率。

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钙钛矿，新能源的“蓝光”

硅基叠层钙钛矿电池结构

今天的光伏组件所使用的硅基电池，正在迅速接近其将阳光转化为电能的最大转换率天花板—— 29%。

经过世界各地多个研究小组的创新，太阳能电池已经突破了30%光电转换效率的重要门槛。一位专家表示，这一壮举，将使今年有望成为“革命性”的一年。

上周四，《科学》杂志专门介绍了沙特阿拉伯的两位科学家如何使钙钛矿-硅串联太阳能电池的功率转换效率（PCE）达到>30%的方法。

KAUST 研究科学家 Erkan Aydin 博士展示了他和研究人员团队开发的钙钛矿/硅串联太阳能电池。图片阿卜杜拉国王科技大学

提高太阳能电池效率的一种方法是对其进行优化，使其适应宽光谱的太阳光，以将其转化为电能。在这种情况下，串联太阳能电池可以包括吸收高能光子的顶部电池和吸收低能光子的底部电池。这种器件可以被制造为多层的堆叠，其中顶部和底部电池彼此互连。将钙钛矿太阳能电池和硅太阳能电池单片集成到串联器件中，是以可承受的成本实现高性能光伏的一条有前途的途径。

钙钛矿叠层电池的突破，在于在硅层顶部添加了一层钙钛矿（另一种半导体）。钙钛矿负责捕获可见光谱中的蓝光，而硅捕获红光，从而增加了捕获的总光量。由于每个电池吸收的能量更多，太阳能发电的成本将会更低，并且装机可以更快地进行。

钙钛矿-硅“串联”电池的研究，到目前已经进行了大约十年，但最近的技术改进，已突破 30%的转化效率门槛。专家表示，如果串联电池的生产规模能够顺利地扩大，它们可能会在未来五年内投入商业使用。

“今年是革命性的一年，”文章共同作者、沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学的斯特凡·德沃尔夫（Stefaan De Wolf）教授说。“令人兴奋的是，多个团体的事情正在迅速进展。”

由德国亥姆霍兹柏林材料与能源中心的Steve Albrecht 教授领导的一个研究小组，现已发布了有关如何将硅钙钛矿电池的效率提高到 32.5% 的信息。

瑞士洛桑联邦理工学院的 Xin Yu Chin 博士领导的另一个小组展示了31.25% 的效率，并表示串联电池具有“高效率和低制造成本的潜力”。

“这两个小组所展示的确实具有里程碑意义，”德沃尔夫说。他自己的团队在 6 月份利用串联电池实现了 33.7% 的效率，但尚未在期刊上发表结果。所有效率测量均经过了独立验证。

“突破 30% 的门槛让我们对将高性能、低成本光伏产品推向市场充满信心，”德沃尔夫说道。到 2022 年，全球太阳能发电容量已达到 1.2 太瓦 (TW)。“然而，为了避免与全球变暖相关的灾难性情景，到 2050 年总容量需要增加到约 75 太瓦，”他说。

太阳能行业也是高效率竞赛的一部分。

全球最大的太阳能电池生产商——隆基绿能6月份宣布，他们的研究成果已达到33.5%。“降低度电成本，是推动光伏产业发展的永恒主题。”隆基股份总裁李振国表示。

“这个行业的发展速度非常非常快，”德沃尔夫说。“我确信中国有多家公司正在致力于此。” 他表示，欧洲和美国需要增加研发资金，以跟上太阳能发电的加速发展并为其做出贡献。

迄今为止，所有效率超过30%的高效串联电池都很小，尺寸为1cm×1cm。它们现在需要扩大到商业电池的尺寸，即15 平方厘米。

英国公司牛津光伏（Oxford PV）在今年5 月份宣布，其商业规模电池的效率达到创纪录的 28.6%，这意味着扩大规模已经开始。

牛津光伏（Oxford PV）首席技术官 Chris Case 表示“太阳能已经是最便宜、最清洁的能源形式之一，我们的技术将使其变得更加经济实惠。”牛津光伏的电池与传统硅基电池在同一生产线上制造，这使得串联电池的大规模生产变得更加容易。

有待解决的一个问题是，串联电池在现实条件下随着时间的推移降解的速度有多快。如今的太阳能电池在 25 年后仍具有 80-90% 的转化能力，德沃尔夫表示，串联电池必须与此相匹配，但迄今为止有关其稳定性的数据有限。

德国和瑞士的串联电池提高效率的关键，是解决了钙钛矿层表面的微小缺陷。这些允许太阳光子释放的一些电子流回钙钛矿，而不是对电池的电流做出贡献，从而降低其效率。解决方案是在钙钛矿和电流流过的导电层之间放置一层有机分子，从而补偿缺陷。

德沃尔夫说，值得注意的是，所有团队都使用不同的方法来解决这个问题，为寻找最佳商业设计提供了更多选择。“还有很大的进步空间，”他说。“我认为实际限制远远超过 35%。”

目前还有其他技术，例如多结电池，其效率高达 47%，但这些技术的生产成本非常昂贵，并且仅适用于特定用途，例如卫星使用的空天光伏。

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双结电池，光伏的未来

可能很多人对双结电池感觉很陌生。其实，HJT和钙钛矿组合而成的叠层电池，就是最常见的双结电池。

如果不考虑成本，只考虑冲刺实验室数据的话，光伏电池的“结”数，理论上可以有很多，转化效率的天花板也很难摸到。

六结太阳能电池的发明者科学家John Geisz（左）和Ryan France

早在2020年4月，美国国家可再生能源实验室 (NREL) 的科学家们就创造了一种六结太阳能电池，转化效率高达 47.1%，这是上面提到的、迄今为止的光伏电池最高纪录。

我们都知道单结晶硅电池的效率极限是28.7%。但是近两年世界各地的知名实验室多次爆出电池转换效率超过30%的新闻。其中包括

2021年，美国能源部国家可再生能源实验室 (NREL) 和新南威尔士大学的研究人员创造了一种具有两个吸光层的电池，可以把32.9% 的阳光转变成电。

2022年9月，荷兰应用科学研究组织（TNO）、代尔夫特理工大学、埃因霍温理工大学和比利时研究机构Imec将半透明钙钛矿太阳能电池与晶体硅相结合，实现了30.1% 的功率转换效率。该电池也是四端串联配置的太阳能电池。

今年4月，阿卜杜拉国王科技大学 (KAUST) 的Erkan Aydin?开发出一种新型太阳能电池，创下33.2% 的功率转换效率。双面串联太阳能电池在顶部有钙钛矿电池，在底部有纹理硅。

由KAUST开发的新型破钙钛矿叠层太阳能电池

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下一代电池技术的主战场

今年6月14日，隆基绿能在德国举行的Intersolar Europe 2023上正式宣布，经欧洲太阳能测试机构ESTI权威认证，隆基绿能在商业级绒面CZ硅片上实现了晶硅-钙钛矿叠层电池33.5%的转换效率。

在5月24日，隆基绿能在上海的SNEC光伏展上宣布了其在商业级绒面CZ硅片上实现了晶硅-钙钛矿叠层电池31.8%的转换效率，该效率创造了世界前三、中国第一的纪录。

今年5月19日，一道新能源与澳大利亚新南威尔士大学（UNSW）共同启动大于35%效率SFOS超高效新型太阳电池研发。其结构是以一道新能高效硅电池作为平台电池，在电池表面叠加具有单重态裂变特性的新型光电转换薄膜材料，形成激子倍增生成过程，使太阳电池的量子效率超过100%。SFOS理论最高效率可以超过40%。

天合光能在2022年年报中披露公司聚焦高效钙钛矿/晶硅叠层电池技术的研究，已取得了一定的研究成果，经国际权威认证机构第三方测试2022年7月，小面积钙钛矿/晶体硅两端叠层太阳能电池实验室效率达到27.9%，实验室技术研发水平处于国内领先地位，入选2022太阳电池中国最高效率；2022年12月，效率已提升至29.2%。

赶碳号此前专门介绍过，协鑫科技在钙钛矿技术方面已经取得相对领先优势。在晶科能源今年的业绩发布会上，董事长李仙德介绍，钙钛矿电池是公司重要的在研项目，并认为“钙钛矿未来将是突破晶硅电池效率极限的主要途径”。通威股份、晶澳科技等也均有研发布局。

在全球科学家与光伏企业共同努力下，钙钛矿叠层电池的商业化也许不会太遥远，希望就像德沃尔夫教授所预测的，只要五年时间。

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原文标题:Science串联有力量！