光伏太阳能电池板的发展效率

能源部国家可再生能源实验室（NREL）的两结太阳能电池已达到31.1％的转换效率新世界纪录，创下了新的里程碑。Alta Devices保持了以前30.8％的效率记录。

新记录可能不会持续很长时间。NREL首席科学家Sarah Kurtz是NRELs国家光伏中心的F-PACE项目的负责人，他说：“与加州大学伯克利分校和Spectrolab的联合项目为我们提供了机会，以不同的方式研究这些近乎完美的电池。迈尔斯·斯坦纳（Myles Steiner），约翰·盖斯（John Geisz），伊万·加西亚（IvánGarcía）和III-V多结PV集团已实施了新方法，与NREL先前的结果相比有了实质性的改进。”

NREL科学家Myles Steiner于6月19日在佛罗里达州坦帕举行的第39届IEEE光伏专家会议上宣布了这一新记录。

同时，麻省理工学院的研究人员正在开辟另一条改进的途径，旨在生产最薄，最轻的太阳能电池板。如上所述，大多数改进太阳能电池的努力都集中在提高其能量转换的效率或降低制造成本上。

以每磅材料产生的能量计算，麻省理工学院的专家组有潜力超越反应堆级铀以外的任何物质。MIT电池可以由一层厚的单分子材料（例如石墨烯或二硫化钼）堆叠而成。

麻省理工学院堆叠的两种单分子厚太阳能电池材料。

麻省理工学院动力工程副教授卡尔·理查德·索德伯格（Jeff Carl Soderberg）表示，这种新方法“致力于实现太阳能材料的最终功率转换”。

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Grossman是描述这种方法的新论文的高级作者，该论文发表在《 Nano Letters》杂志上。

格罗斯曼说，近年来，科学家对石墨烯等二维材料的潜力投入了相当大的关注，但对它们在太阳能应用中的潜力的研究很少。他说，事实证明，“他们不仅还行，而且他们的表现令人惊讶。”

Grossmans小组预测，使用两层这种原子厚的材料，可以将太阳能转化为电的效率达到1-2％。他说，与标准硅太阳能电池的15％到20％的效率相比，这是很低的，但是它是使用比薄纸更薄，更轻数千倍的材料实现的。这种两层的太阳能电池只有1纳米厚，而典型的硅太阳能电池则是其数十万倍。这些二维层中的几个的堆叠可以显着提高效率。

这是光伏未来的两种截然不同的方法。

在旨在生产效率达到48％的集中器电池的NREL F-PACE项目开始时，NREL最佳的单结砷化镓砷太阳能电池的效率为25.7％。这些年来，其他实验室已经提高了这种效率：Alta Devices创造了一系列记录，将砷化镓的记录效率从2010年的26​​.4％提高到2012年的28.8％。仅两个月前，Altas便创下了两结30.8％效率的记录。

NRELs Steiner说：“从历史上看，科学家通过逐步改善结的材料质量和内部电特性以及优化诸如带隙和层厚度等变量来提高多结电池的性能。但是，内部光学器件在使用周期表第三和第五列（III-V电池）中的材料的高质量电池中起不到充分的作用。他说：“该项目的科学目标是了解和利用内部光学器件。”

当电子-空穴对复合时，可以产生光子，如果该光子逸出细胞，则可以观察到发光-这是发光二极管工作的机制。但是，在传统的单结砷化镓细胞中，大多数光子只是简单地吸收到细胞基质中而丢失。通过更优化的电池设计，可以将光子重新吸收到太阳能电池中，以创建新的电子-空穴对，从而提高电压和转换效率。在多结单元中，光子还可以耦合到较低的带隙结，从而产生额外的电流，这一过程称为发光耦合。

NREL研究人员通过使用金背接触将光子反射回细胞中，并允许从上方的GaInP结到第二层的大部分发光来增强砷化镓下部结中的光子循环，从而提高了细胞效率。耦合到GaAs结。开路电压和短路电流均增加。

麻省理工学院材料科学系的博士后马可·伯纳迪（MIT Marco Bernardi）是该论文的主要作者，他说：“堆叠几层可以提高效率，这可以与其他成熟的太阳能电池技术竞争。”

Bernardi说，对于重量是关键因素的应用（例如在航天器，航空中或在运输成本显着的发展中国家偏远地区使用），这种轻质电池可能已经具有很大的潜力。

伯纳迪说，新的太阳能电池产生的电能是传统光伏电池的1,000倍。Grossman补充说，它的厚度约为1纳米（十亿分之一米），比目前可以制造的最薄的太阳能电池薄20至50倍。“你不能使太阳能电池更薄。”

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在成本方面，麻省理工学院具有优势。当今面板的成本大约一半用于支撑结构，安装，布线和控制系统，这些成本可以通过使用更轻的结构来减少。加上材料本身比用于标准太阳能电池的高纯度硅便宜得多，并且由于薄板非常薄，因此它们只需要极少量的原材料。

麻省理工学院有密歇根大学机械工程，化学工程，艺术与设计助理教授约翰·哈特（John Hart）的第三方评论，他说：“这是设计太阳能电池的令人兴奋的新方法，而且是一个令人印象深刻的例子，说明了如何互补的纳米结构材料可以被工程化以创造新的能源设备。”哈特将于今年夏天加入麻省理工学院，但并未参与这项研究。他补充说：“我希望这些薄层的机械柔韧性和坚固性也将具有吸引力。”

格罗斯曼说，迄今为止，麻省理工学院的团队一直在努力证明原子厚材料在太阳能发电中的潜力“仅仅是个开始”。一方面，这项工作中使用的材料二硫化钼和二硒化钼只是可以研究其潜力的许多二维材料中的两种，更不用说夹在中间的不同材料组合了。格罗斯曼说：“可以探索这些材料的整个动物园。”“我希望这项工作为人们以新的方式思考这些材料奠定了基础。”

这种材料的另一个优点是即使在露天条件下也能长期保持稳定性。相比之下，其他太阳能电池材料必须在沉重且昂贵的玻璃层下进行保护。Grossman说：“它在空气，紫外线和湿气中基本稳定。”“它非常坚固。”

Grossman说，到目前为止，这项工作是基于材料的计算机建模，并补充说，他的团队现在正在尝试生产这种设备。他说：“就利用二维材料获取清洁能源而言，这是冰山一角。”

如今，不存在大规模生产二硫化钼和二硒化钼的方法，这已经是一个活跃的研究领域。格罗斯曼说，制造业是“一个基本问题，但我认为这是一个可解决的问题。”

这两种技术在基本定位上无法进一步分开。两者都提供了巨大的市场能力。不过，麻省理工学院早期但较不发达的工作应该具有最强的实力。麻省理工学院几乎在微薄的成本上推动了这项技术的快速发展。

目前，硅太阳能电池主导着世界光伏市场，但研究人员发现了新材料的机遇。NREL希望由放大太阳光的透镜支撑的高效聚光电池正受到公用事业的关注，因为这些模块的效率已远远超过30％。如果可以提高生长速度和降低成本，则单日或低浓度III-V电池可能会有商业机会。

NRELs Steiner说，当添加透镜以增加太阳光的倍数时，同一电池应该工作良好。“我们期望在集中照明下测量时，太阳能电池的特性会得到类似的增强。”

NREL接近48％。问题将是成本。这些高效率将需要更少的面积，但最好的光伏用地却很便宜。

通过。布莱恩·韦斯滕豪斯

资源：光伏太阳能的进展