今年以來,全球范圍內(nèi),圍繞太陽能行業(yè)的技術創(chuàng)新正在向“如何提高轉換效率”聚焦。
隨著全球綠色轉型加速,越來越多科研團隊、技術初創(chuàng)公司不斷加大新能源領域科研投入。今年以來,全球范圍內(nèi),圍繞太陽能行業(yè)的技術創(chuàng)新正在向“如何提高轉換效率”聚焦。業(yè)內(nèi)認為,這些研究對于理解和開發(fā)可持續(xù)能源解決方案提供了很好借鑒,有望重新定義太陽能發(fā)電效率以及可及性。
技術創(chuàng)新層出不窮
國際可再生能源署指出,太陽能是全球增長最快的能源,自2010年以來增長約26倍。數(shù)據(jù)顯示,到2022年底,全球太陽能光伏裝機容量為1047吉瓦;2023年,全球電力增長主要來源是太陽能,連續(xù)第19年保持增長最快的電力來源地位,并連續(xù)第2年超過風能成為最大新電力來源。
基于此,全球范圍內(nèi),在提高太陽能轉換效率方面,技術創(chuàng)新層出不窮。有科研團隊通過在傳統(tǒng)硅基太陽能電池板上添加新的過氧化物層來提高效率,這種化合物能捕捉不同波長的光,有望將轉換效率提高到30%以上。
土耳其一個科研團隊日前表示,研發(fā)了一種半球形光伏太陽能電池,在計算機模擬中,比傳統(tǒng)平板電池板多吸收66%的光。目前,這個科研團隊正在尋求制造一個原型來測試該技術。
事實上,轉換效率一直是影響太陽能發(fā)電的主要因素之一。一方面,傳統(tǒng)硅基太陽能電池板可以吸收整個可見光譜的光,但吸收能力相對較弱,而且面板必須有幾微米厚才能吸收足夠質(zhì)子來發(fā)電,這使得此類電池板異常笨重、昂貴,不僅難以放置在狹小空間里,更難與建筑物和車輛無縫集成。
另一方面,由有機染料制成的薄膜太陽能電池雖然便宜又輕巧,厚度僅為100納米,但只能吸收太陽光譜的一小部分,并不是理想的選擇。
新型系統(tǒng)捕獲更多光
德國維爾茨堡大學一個科研團隊日前研發(fā)出一種新型光收集系統(tǒng)URPB,可以吸收整個可見光范圍內(nèi)的光,進一步提升太陽能電池板轉換效率。
國際期刊《化學》報道了此次研究成果。URPB系統(tǒng)對4種不同“染料”——紫外光色、紅色、紫色和藍色,進行精確堆疊配置排列,從而更高效地捕獲紫外線、可見光和近紅外波長的光。在實驗室測試中,URPB系統(tǒng)實現(xiàn)了38%的入射光能轉化為有用能量的能量轉換效率,而單個“染料”最大轉換效率僅為3%。
不過,雖然URPB系統(tǒng)在實驗室環(huán)境中得到了驗證,并為制造更薄、更輕、更高效的太陽能電池板提供了借鑒,但仍面臨如何實現(xiàn)商業(yè)化的挑戰(zhàn)。
油價網(wǎng)指出,過去10年,太陽能電池板效率已經(jīng)從17%左右提高至22%-29%,同時,生產(chǎn)成本持續(xù)下降,每瓦太陽能電池板價格從約5美元下降到當前的不足0.5美元。
量子材料帶來新驚喜
在太陽能電池家族中,晶硅電池與薄膜電池兩大分支并駕齊驅(qū),而鈣鈦礦電池作為薄膜電池中的佼佼者,憑借其獨特的優(yōu)勢脫穎而出。近年來,鈣鈦礦電池取得巨大進步,效率顯著提高,從2009年的3%左右提高到當前的25%以上。
今年7月,中國科學技術大學徐集賢教授團隊,成功研發(fā)出穩(wěn)態(tài)效率高達26.7%的鈣鈦礦電池,刷新了全球鈣鈦礦電池穩(wěn)態(tài)效率的世界紀錄。
事實上,由于鈣鈦礦電池的高性能和低生產(chǎn)成本,業(yè)內(nèi)一直對其前景持樂觀態(tài)度。不過,目前大多數(shù)鈣鈦礦電池檢測都是在實驗室中進行的。
值得一提的是,鈣鈦礦電池研發(fā)開始向量子領域延展。國際期刊《科學進展》報道稱,4月,美國理海大學研究人員開發(fā)出一種原子級厚度的量子材料——銅摻雜鍺硒/硫化錫異質(zhì)結構復合材料,外量子效率達到了前所未有的190%,可以將63%的陽光能量轉換為電能,遠遠超過了33.7%的肖克利-奎伊瑟效率理論極限,該理論極限認為,在標準測試條件下,單結太陽能電池的理論最高效率不會超過33.7%。
據(jù)悉,這一研究主要應用了在太陽能電池和超導態(tài)研究中具有重要意義的中間能帶態(tài)?這一概念,其涉及材料電子結構內(nèi)的特定能級,這些能級位于最佳子帶隙內(nèi),使得材料能夠有效地吸收太陽光并產(chǎn)生載流子,從而提高太陽能轉換效率。
這種量子材料限制了電子和空穴的自由運動,從而減少了電子和空穴的產(chǎn)熱結合,可以讓電池板產(chǎn)生更多電能。美國理海大學研究人員表示,目前,商業(yè)太陽能電池板轉換效率大約在15%-20%,如果全部換成這種量子材料電池板,全球太陽能發(fā)電量有望在目前基礎上實現(xiàn)較大提升。
(文章來源:中國能源報)