65%光吸收率！薄膜硅光伏電池有重大創(chuàng)新

電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/吳子鵬）近日，一篇發(fā)布在《美國化學(xué)學(xué)會·光子學(xué)》雜志上面的論文得到廣泛關(guān)注，荷蘭和英國科學(xué)家借助一種納米紋理結(jié)構(gòu)，使薄膜硅光伏電池變得不透明，并因此增強(qiáng)了其吸收太陽光的效率，可達(dá)到65%，為目前世界上的最高記錄。

薄膜電池是指在玻璃、柔性聚合物等基板上沉積一層厚度不大于20微米的薄膜，并在這層薄膜中制作 PN 結(jié)等組成的太陽電池。薄膜太陽電池主要包括硅基薄膜、化合物類和有機(jī)薄膜。這一成果若能夠?qū)崿F(xiàn)商業(yè)落地，將會極大地提升第二代薄膜太陽能電池的市占比，讓薄膜硅電池從補(bǔ)充手段一下子成為主流的部署方案。

效率一直是光伏頭疼的問題

當(dāng)前國家正在大力推行以“雙碳目標(biāo)”為引導(dǎo)的節(jié)能減排，風(fēng)電光伏等新能源發(fā)展受到了前所未有的重視。根據(jù)國家統(tǒng)計局的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2016年至2020年我國光伏電池產(chǎn)量由7681.0萬千瓦增至15728.6萬千瓦。2021年國家明確提出“雙碳”時間表之后，光伏電池產(chǎn)量增速將進(jìn)一步提升，預(yù)計到2025年我國光伏電池產(chǎn)量將增至40367萬千瓦。

一直以來，限制光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的因素主要有兩個，一個是成本，一個是效率。在成本方面，根據(jù)中國光伏行業(yè)協(xié)會的數(shù)據(jù)分析，2019年全投資模型下分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)在工商業(yè)方面實現(xiàn)了用電側(cè)平價，2021年后國內(nèi)近80%的地區(qū)已經(jīng)實現(xiàn)居民用電側(cè)平價。

另一個問題就是效率問題，此前光伏發(fā)電的成本下降更多是受益于功率半導(dǎo)體的效率提升，但效率提升進(jìn)展非常緩慢。光伏是進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，在此前的方案設(shè)計中，由于光譜問題一半的光能量對電池沒有貢獻(xiàn)，這被吸收的另外50%光能量中的一半則會以熱量形式被消耗，那么光伏電池的最高效率基本就是25%左右。

下圖是光伏巨頭隆基股份的一張宣傳圖，該公司在單晶硅片上創(chuàng)造了轉(zhuǎn)換效率為25.47%的大尺寸p型光伏電池效率世界紀(jì)錄。是的，這已經(jīng)是世界紀(jì)錄。

圖源：隆基股份

2021年，隆基股份曾多次在晶硅太陽能電池方面打破電池轉(zhuǎn)換效率世界紀(jì)錄，將n型TOPCon、p型TOPCon和n型HJT電池轉(zhuǎn)換效率分別被推高至25.21%、25.19%、26.30%。當(dāng)眾所周知的是，晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換率的極限是29.43%，再想突破只能從結(jié)構(gòu)和材料方面著手了。

從理論上講，如果第二代薄膜太陽能電池通過增加光吸收率，進(jìn)而將電池轉(zhuǎn)換效率提高到超過晶硅的水平，那么第二代薄膜太陽能電池的市占比有望快速提升。根據(jù)智研咨詢的整理數(shù)據(jù)，2019年全球光伏電池市場里，薄膜電池僅占到4.63%。

圖源：智研咨詢

從當(dāng)前的產(chǎn)業(yè)發(fā)展來看，薄膜電池進(jìn)展遲緩，2020年的市占比也只有5.13%，一個重要原因就是轉(zhuǎn)換效率不高。雖然漢能集團(tuán)已經(jīng)將砷化鎵薄膜單結(jié)電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)到28.9%，但市面上主流的薄膜電池的單體效率基本在14%-17%，和晶硅電池的18%-21%相比，差距還較為明顯。在當(dāng)前的轉(zhuǎn)換效率下，薄膜電池單位面積上的輸出電量更低的弱點會被放大，大概需要增加一倍的電池面積才能夠提供和晶硅電池差不多的輸出電量，在尺寸受限應(yīng)用方面難以發(fā)揮自身成本低、弱光性好等優(yōu)勢。

接近約70%理論吸收極限

根據(jù)荷蘭和英國研究人員的表述，目前薄膜電池的光吸收率大概只有25%的水平，他們利用新方法設(shè)計出的納米結(jié)構(gòu)表面有一種超均勻分布圖案，可將直射太陽光限定于一個角度范圍內(nèi)，從而將更多光捕獲在硅膜內(nèi)。

圖源：AMOLF

研究人員仔細(xì)描述了這種圖案的發(fā)現(xiàn)過程，薩里大學(xué)先進(jìn)技術(shù)研究所 (ATI) 的Marian Florescu博士說：“我們的方法是在蝴蝶翅膀和鳥眼的設(shè)計中與大自然相呼應(yīng)，這種無序但均勻的蜂窩設(shè)計將光捕獲在太陽能電池內(nèi)，從而產(chǎn)生更多能量?！?br />
實驗結(jié)果顯示，這種創(chuàng)新方法能夠?qū)⒈∧す韫夥姵氐墓馕章侍嵘?5%，是迄今薄膜硅光伏電池表現(xiàn)出的最高水平，接近約70%的理論吸收極限。

目前，薄膜電池一個重要的應(yīng)用場景是BIPV（Building Integrated Photovoltaic，建筑光伏一體化），也就是將光伏組件和建筑材料集成在一起，打造光伏+建筑的商業(yè)場景。由于具有電池組件透光率可調(diào)，尺寸大小可定制，顏色圖案可變，色彩整體性強(qiáng)等突出優(yōu)勢，薄膜電池比晶硅電池更加適用于建筑領(lǐng)域。

AMOLF研究人員表示，“基于超均勻圖案的強(qiáng)光捕獲性能，我們估計1μm厚的c-Si電池的光伏效率可以達(dá)到20%以上，這將代表向著柔性方向的絕對突破?！边@種柔性特性對BIPV應(yīng)用也很重要，同時光伏效率已經(jīng)達(dá)到了現(xiàn)階段晶硅光伏的主流水平。此外，根據(jù)現(xiàn)有的實驗結(jié)果，可以穩(wěn)定實現(xiàn)的21%光電轉(zhuǎn)換效率并不是這種新技術(shù)的極限水平，預(yù)計超越晶硅光伏電池的水平不是很難。

同時，相較于晶硅電池，這種創(chuàng)新設(shè)計的薄膜電池具有更出色的綠色性能。與厚的對應(yīng)物相比，更薄的硅吸收體更能容忍電子缺陷。這意味著高效的薄硅電池也可以由低品位的硅制成，從而減少原料硅純化的能源需求并縮短其能源回收時間。

研究人員指出，盡管這種高效薄膜電池距離應(yīng)用還有一段距離，但超均勻圖案薄膜光伏電池極具潛力。

總結(jié)

根據(jù)alliedmarketresearch的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2020年全球薄膜太陽能電池市場規(guī)模為 113 億美元，預(yù)計到 2030 年將達(dá)到 253 億美元，從 2021 年到 2030 年的復(fù)合年增長率為 8.4%。

近幾年晶硅電池的快速發(fā)展主要得益于成本的下降，使得原本從事薄膜電池研究的企業(yè)暫停了相應(yīng)的擴(kuò)產(chǎn)計劃，但隨著各國政策對BIPV的推崇，以及各國對綠色能源認(rèn)識度提高，具有更好的性能效率、更低的成本以及更靈活的安裝特性的薄膜電池?fù)碛芯薮蟮脑隽渴袌?。因而，荷蘭和英國科學(xué)家的這項創(chuàng)新具有非常好的商業(yè)化前景。

我國薄膜電池研究起步于上世紀(jì)70年代，目前已經(jīng)形成了較為完備的產(chǎn)業(yè)鏈，擁有漢能、風(fēng)帆光伏、強(qiáng)生光電、國電光伏、天威薄膜光伏等眾多廠商，但薄膜電池發(fā)展需要產(chǎn)學(xué)研的多方合作，國內(nèi)也需要更多像本文提到的這種創(chuàng)新技術(shù)，為我國節(jié)能環(huán)保事業(yè)的發(fā)展賦能。