太陽能電池的未來創新材料有哪些？

太陽能是僅次于水電和風能的第三大可再生能源，已成為化石燃料強大的替代品。照射在地球上的陽光是世界能源使用總量的 10,000 多倍，而收集盡可能多的太陽能的技術正在迅速發展。自 1954 年貝爾實驗室制造出第一塊商用硅 (Si) 太陽能電池板以來，當今最常見的技術使用不同形式的硅基太陽能電池，那么太陽能電池的未來創新材料有哪些？



根據IEA的市場分析，太陽能光伏 (PV) 的發電量——將陽光轉化為電能的過程——已從 2018 年的 585 TWh 達到 2019 年的 720 TWh，預計到 2025 年將增長到 1,940 TWh。目前全球最大太陽能裝機容量592GW，占全球發電量的2.2%。

太陽能電池的未來創新材料介紹：

典型的太陽能電池包括半導體材料，例如具有連接到外部電路的層狀pn結的p型和n型硅組成。面板上的陽光照射導致電子從硅中射出。在內部電場下射出的電子產生通過 pn 結和外部電路的流動，從而產生電流。隨著市場的快速增長和創造性應用的發展，太陽能電池的未來創新材料的研發正處于高峰期，以低成本實現最大的太陽能發電效率。當今三種高度研究的半導體材料是晶體硅、薄膜和下一代鈣鈦礦太陽能電池 (PSC)。

一、結晶硅

晶體硅 (c-Si)是太陽能電池板中使用最多的半導體材料，占據全球光伏市場的 90% 以上，盡管效率明顯低于理論極限（~30%）。由替代的低成本和高效材料制成的太陽能電池正在出現。

國家可再生能源實驗室 (NREL) 正在推動高效晶體光伏的開發，其中包括 III-V 多結材料（目標效率 >30%）和混合串聯 III-V/Si 太陽能電池。他們的六結 III-V 太陽能電池在集中光下的效率達到了 47.1%。此外，基于硅的雙面技術可以從面板的兩側收集太陽能，與標準面板相比，效率提高了 11%。



二、薄膜

第二代薄膜太陽能電池由于其窄設計（與標準硅面板相比光吸收層小 350 倍）、重量輕、靈活性和易于安裝而成為最有前途的光伏技術之一。通常，在其結構中使用四種類型的材料：碲化鎘 (CdTe)、非晶硅、銅銦鎵硒 (CIGS) 和砷化鎵 (GaAs)。雖然 CdTe 由于鎘而存在毒性問題，但事實證明 CIGS 太陽能電池是住宅和商業設施中更有前途的高效和經濟選擇，效率高達 21%。



三、鈣鈦礦太陽能電池

在下一代太陽能電池中，混合金屬鹵化物鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）以其低廉的價格、更薄的設計、低溫加工和優異的光吸收性能（在低散射光下的良好性能）而受到廣泛關注。PSC 可以是靈活的、重量輕的和半透明的。值得注意的是，鈣鈦礦薄膜也可以印刷，從而實現可擴展的高通量制造，最近的卷對卷印刷 PSC 的效率已達到12.2%，是印刷 PSC 中最高的。

值得注意的是，如Oxford PV所證明的那樣，鈣鈦礦和硅光伏材料的組合在實驗室條件下顯示出高達 28% 的創紀錄效率。雖然穩定性和耐用性仍然是一個主要問題，但最近的低成本聚合物玻璃堆疊封裝系統使 PSC 能夠承受標準操作條件。盡管 PSC 仍未商業化，但它們具有顯著的經濟和效率優勢，可以推動太陽能市場的未來發展。



有哪些突破性的集成太陽能電池技術？

除了創新材料，收集更多太陽能的創造性方法也在不斷涌現。例如，瑞士初創公司Insolight正在面板的保護玻璃中使用集成透鏡作為光學增強器，將光束聚集 200 倍，同時達到 30% 的效率。最近的另一個發展是設計熱輻射光伏設備或反向太陽能電池板的原型，它可以利用從電池板輻射到光學耦合深空的熱量在夜間發電，該深空用作散熱器。


           （圖片顯示反向太陽能電池板概念如何工作的圖形摘要）

有趣的是，隨著創新材料的出現，標準屋頂安裝以外的綜合應用也在興起，目前還處于起步階段。例如，如果有集成的膜蒸餾附件，太陽能蒸餾可以收集太陽能，同時利用面板散發的熱量來凈化水。

未來的另一項變革性技術可能是太陽能涂料，其中包括太陽能涂料氫（通過光伏水分解產生能量）、量子點（光伏涂料）和鈣鈦礦基涂料。此外，透明太陽能窗是高度創新的應用，Ubiquitous Energy憑借其透明材料實現了10%的太陽能到電力的轉換效率。

隨著低成本、高性能半導體材料、節省空間的薄膜和易于安裝的技術的快速發展，太陽能電池的未來在五年內仍會蓬勃發展。盡管大流行造成了挫折，但到2024年太陽能裝置的預期成本降低15% 至 35%令人鼓舞，并且可以使這種可再生能源更加實惠。