新型串联太阳能电池打破效率记录——它们最终可能增强我们从太阳能获取能源的方式

Josiah02

在世界许多地区，屋顶和大型能源农场上安装太阳能电池板的景象已司空见惯。即使在阴雨连绵的英国，太阳能也正在成为发电的主要力量。
太阳能的激增得益于两个关键发展。首先，科学家、工程师和业内人士正在学习如何制造数十亿块太阳能电池板。每个制造步骤都经过精心优化，以非常低的成本生产。第二个也是最重要的一点是太阳能电池板的功率转换效率不断提高——这是衡量阳光能转化为电能的指标。
太阳能电池板的效率越高，电费就越便宜。这可能会让你感到疑惑：我们能指望太阳能变得有多高效？它能减少我们的电费吗？
目前市面上的太阳能电池板将大约 20-22% 的阳光转化为电能。然而，《自然》杂志发表的新研究表明，通过利用一种名为串联 太阳能电池的新技术，未来的太阳能电池板的效率可以高达 34% 。这项研究展示了串联太阳能电池创纪录的电力转换效率。
什么是串联太阳能电池？
传统的太阳能电池使用单一材料制成以吸收阳光。目前，几乎所有太阳能电池板都是由硅制成的，硅也是微芯片的核心材料。虽然硅是一种成熟可靠的材料，但其效率仅限于 29% 左右。
为了克服这一限制，科学家们开始研究串联太阳能电池，即将两种太阳能材料堆叠在一起，以捕获更多的太阳能。
在新的《自然》论文中，能源巨头隆基的一组研究人员报道了一种结合了硅和钙钛矿材料的新型串联太阳能电池。得益于其改进的阳光收集能力，新的钙钛矿-硅串联电池实现了创纪录的 33.89% 的效率。
钙钛矿太阳能材料被发现还不到二十年，如今已成为现有硅技术的理想补充。其秘密在于其光吸收可调性。钙钛矿材料比硅更能有效地捕获高能蓝光。
这样，可以避免能量损失，提高串联电池的总效率。其他材料，称为 III-V 半导体，也已用于串联电池，并实现了更高的效率。问题是它们难以生产且价格昂贵，因此只能结合聚焦光来制造小型太阳能电池。
科学界正在大力研究钙钛矿太阳能电池。它们一直保持着惊人的发展速度，效率（实验室单个电池）在短短 10 年内从 14% 上升到 26%。这些进步使得它们能够集成到超高效串联太阳能电池中，展示了将光伏技术扩展到世界脱碳能源生产所需的数万亿瓦特的途径。
太阳能电力的成本
新的创纪录串联电池可以额外捕获 60% 的太阳能。这意味着生产相同能量所需的电池板更少，从而降低了安装成本和太阳能发电场所需的土地（或屋顶面积） 。
这也意味着发电厂运营商将以更高的利润生产太阳能。然而，由于英国的电价制定方式，消费者可能永远不会注意到电费的差异。当你考虑屋顶太阳能装置时，真正的差异就出现了，因为屋顶太阳能装置的面积受到限制，必须有效利用空间。
屋顶太阳能发电的价格是根据两个关键指标计算得出的。首先，在屋顶安装太阳能电池板的总成本，其次，它们在 25 年的运行期内将产生多少电力。虽然安装成本很容易获得，但家庭太阳能发电的收入则略有不同。您可以通过减少使用电网能源来省钱，尤其是在电网成本高昂的时期，您还可以将部分剩余电力卖回给电网。
但是，电网运营商会为这些电力支付很少的费用，所以有时最好使用电池并储存电能，以便在晚上使用。根据英国典型家庭的平均考虑，我计算了消费者从屋顶太阳能电力中获得的现金节省，具体取决于太阳能电池板的效率。
如果我们能在不增加安装成本的情况下将太阳能电池板效率从 22% 提高到 34%，那么电费节省额将从每年 558 英镑增加到 709 英镑。现金节省额增加 20%，即使在阴天多云的英国，太阳能屋顶也极具吸引力。
那么我们什么时候可以买到这些新的太阳能电池板？
随着研究的不断深入，人们正在付出巨大努力来扩大这项技术的规模并确保其长期耐用性。创纪录的串联电池是在实验室中制造的，比邮票还小。将如此高性能转化为平方米面积仍然是一个巨大的挑战。
然而，我们正在取得进展。本月早些时候，钙钛矿技术领先的太阳能制造商 Oxford PV 宣布首次销售其新开发的串联太阳能电池板。他们成功解决了集成两种太阳能材料并制造耐用可靠的电池板的挑战。虽然他们的效率还远未达到 34%，但他们的工作为下一代太阳能电池指明了一条有希望的路线。
另一个考虑因素是串联太阳能电池板所用材料的可持续性。提取和加工太阳能电池板中的某些矿物质可能会耗费大量能源。除了硅之外，钙钛矿太阳能电池还需要铅、碳、碘和溴等元素作为成分才能正常工作。连接钙钛矿和硅还需要含有一种名为铟的元素的稀缺材料，因此仍需要进行大量研究来解决这些困难。
尽管面临挑战，科学界和工业界仍然致力于开发可集成到几乎任何事物中的串联太阳能设备：汽车、建筑物和飞机。
高效钙钛矿-硅串联电池的最新发展表明太阳能前景光明，确保太阳能在全球向可再生能源转型中继续发挥更加突出的作用。