科技創新給光伏產業帶來發展的正能量

    曾幾何時，“太陽能光伏”給我們帶來了對更高的發電效率和更好的環保性能的憧憬。然而，近年來光伏發電并網難題、光伏產業產能過剩、太陽能產品價格走低、國際貿易糾紛四起等等因素，讓這個產業前景黯淡。也許，只有技術的革新才是這個產業發展的堅實依靠。

    新型可彎曲可嵌入太陽能電池

    近日，美國硅谷的阿爾塔設備公司(Alta Devices)推出了一種新型的可彎曲可嵌入式太陽能電池，且這種電池的轉換效率達到驚人的29%。這種基于砷化鎵材料以及獨特的生產工藝技術的新型太陽能電池或將引發太陽能產業和新能源產業的變革。

    阿爾塔設備公司CEO克里斯·諾里斯表示：“我們主要在三個方面實現了創新。一個是高效的生產工藝、一個是砷化鎵晶片技術、一個是高效的轉換率。”他同時介紹到，首先在一個臨時的模板晶片上使用金屬有機氣相沉積工藝生產薄膜，然后將薄膜分離，并再次使用這個模板晶片，由此得到了極薄并可彎曲的薄膜，它可以做成任何形狀。

    這種平板式傳統單藕合薄膜太陽能電池具有較其他工藝生產的電池更高的轉換效率。而多重藕合薄膜太陽能電池則含有多個層面，可吸收多種頻率，能夠實現更高的轉換效率。據了解，在目前采用的太陽能電池技術中，多數基于多晶硅或者單晶硅材料，其轉換效率最多可達到18%左右。

    基于此，該公司表示其已規劃明年推出雙重藕合薄膜太陽能電池產品，轉換效率將提高到33%，而其未來3年的目標是實現轉換效率達到37%的太陽能電池。

    此外，加州大學伯克利分校電氣工程教授，同時也是阿爾塔設備公司的聯合創始人艾利·亞布隆諾維奇的研究小組發現，多年來大家研究的太陽能電池都是盡可能收集光子來產生電能，但實際上，可以用相反的方法。他們認為太陽能電池散發光子的效果越好，電壓就越高，也可以產生更大的效率。

    太陽能電池產生電力，是因為來自太陽的光子撞擊電池內的半導體材料，光子的能量使材料中的電子自由流動。但是，這個過程中，撞擊釋放電子也可以產生新的光子，這個過程稱為發冷光。阿爾塔設備公司采用了這一理念，其新型的太陽能電池中的光子不會消失在電池內，并且增加了太陽能電池產生的電壓。

    據了解，這種新型電池的厚度僅有1微米，相比之下，人的頭發直徑大約為40微米。同時，可彎曲的特性可以激發更多應用。克里斯·諾里斯說：“人類100多年來最偉大的發明就是移動性大大提升，飛機、汽車、輪船讓移動更方便，但是能源的消耗也更嚴重，傳統太陽能電池笨重脆弱很難實現便攜，而我們的電池則可以輕松實現便攜和嵌入應用。”

    旋轉太陽能電池效率高出20倍

    近日，美國V3太陽能公司在傳統技術基礎上，設計出一種“旋轉太陽能電池”，其比現有太陽能電池發電效率高出近20倍。

    據了解，這種“旋轉太陽能電池”雖然其發電單元依然是傳統太陽能電池板，但與眾不同的是，它有一個獨特的錐形支架。在使用時，支架會進行旋轉，且無須任何用來追尋太陽移動軌跡的軟件或硬件。

    當然，還有一點也是很重要的，那就是這種電池的外形真的很酷。

    到目前為止，幾乎所有的太陽能電池組都是由平板太陽能電池所組成的。為了提高其發電效率，研究者一方面將太陽能電池板安裝在可以追尋太陽移動軌跡的支架上，另一方面，則通過加裝透鏡或反射鏡讓更多的光線照射在太陽能電池板上。不過，這兩種方法常常會導致電池板因被暴曬而溫度過高，嚴重時電池甚至會被燒毀。

    為了防止這種現象發生，V3太陽能公司的工程師將電池板安裝在一個可以旋轉的錐形支架上。這樣，每塊電池板被照射的時間相對較短，溫度不會上升至將其毀壞的程度，并且當錐形架轉動時，未被陽光直射的電池板還可以自行冷卻。而用于驅動錐形支架旋轉的電力，則來自于附著在其上的太陽能電池板。

    業內專家認為，這種新型太陽能電池是集工程科技和藝術于一體的奇跡，既有遠高于傳統平板太陽能電池的光電轉化效率，又有令人著迷的外觀。

    不過，價格或許是該電池唯一的缺憾。雖然該公司沒有透露具體的金額，但可以肯定，它會比傳統太陽能電池板昂貴許多。所以，現在的問題是，其20倍的光電轉化效率能否抵消其造價。

    氧化鋁創溶液處理太陽能電池轉化新紀錄

    據物理學家組織網報道，由英國牛津大學科學家帶領的研究團隊，以違反直覺的方式，用低光敏性的氧化鋁（Al2O3）替代光激發能力良好的二氧化鈦（TiO2）作為電極，將溶液可處理的太陽能電池的轉化效率提升至10.9%，創造了新的紀錄。

    這項研究利用了氧化鋁能夠充當惰性支架，迫使電子停留其中，并通過超薄的吸收體層進行傳送的性能。

    研究人員表示，雖然含有砷化鎵的太陽能電池的轉換效率已經達到28%左右，但此次在溶液可處理的固態太陽能電池領域，取得了新的成績。同時，這一轉化率還有望在未來數年內急速提升。

    據了解，在吸收光子并生成電子的光電過程中，基本的能量損失會逐步上升。為了克服這些損失，此前的研究試圖將厚度為2納米至10納米的鍍鋅層，附加到二氧化鈦電極的內表面，以增強電流密度和電壓。

    而之前帶有鍍鋅層的太陽能電池的轉化效率僅為6.3%，科學家分析這很可能與二氧化鈦導致的電子混亂和低遷移率有關。因此他們在此次的研究中改用氧化鋁作為電極，其所生成的光激電子能被保留在鍍鋅層內，而不會降低氧化物內的能級水平。

    同時，使用氧化鋁電極還具有多種優勢，例如它能顯著提升電子的傳送速度，迫使電子快速穿過鈣鈦礦鍍鋅層，并同時提高電壓。這一改進也能使太陽能電池的轉化效率從8%左右提升至10.9%。因為氧化鋁充當了中尺度的支架，而不在光致激發中發揮任何作用。

    科研人員表示，這項工作使低成本的溶液處理太陽能電池離晶體半導體的完美性能又近了一步，也為今后的研發開辟了廣泛的可能性。他們還期望通過使用新型的鈣鈦礦和其他半導體，或是擴展光的吸收范圍等途徑，使電池未來的效率能夠得到進一步提升。

    二氧化鈦光催化材料實現全譜吸收

    近日，中科院金屬研究所沈陽材料科學國家（聯合）實驗室提出，利用間隙原子弱化金屬原子與氧（M-O）的鍵合實現替代晶格氧的摻雜原子進入體相的新機制，獲得了梯度摻雜的銳鈦礦TiO2，實現了可見光全譜強吸收，將TiO2光電解水產氫的活性光響應范圍拓展至700納米。

    就像光催化分解水制氫一樣，光催化可實現太陽能到化學能的轉化，是獲得新能源的一個重要途徑。發展可以有效吸收可見光（波長在400-700納米之間）的光催化材料是實現高效太陽能光催化轉化的前提，然而多數穩定的光催化材料的可見光吸收低。摻雜能夠縮小光催化材料的帶隙，是增加光催化材料可見光吸收的基本手段。銳鈦礦TiO2是研究最為廣泛的光催化材料，目前利用摻雜手段在一定程度上增加了該材料的可見光吸收，但仍無法實現全譜強吸收。

    該實驗室一直致力于解決寬帶隙光催化材料的可見光全譜強吸收的難題。前期的系列研究揭示，摻雜原子的空間分布是決定摻雜能否縮小帶隙的本質因素，即表面摻雜只能在帶隙中引入局域化能級，體相摻雜可縮小帶隙。同時，提出利用層狀結構來實現摻雜原子在體相的均相分布的思路，增加光催化材料的可見光吸收。

    據了解，摻雜陰離子難以進入金屬氧化物體相本質上是由M-O鍵的高鍵能以及摻雜離子與替代晶格離子間的電荷差異造成的。研究人員通過先期發展的“摻雜劑與前軀體合而為一”的特色制備思路，以TiB2晶體為前驅體，通過水熱及后續的熱處理過程獲得了間隙硼摻雜的銳鈦礦TiO2微米球，并且硼在從球表面至體相厚約50納米的范圍內呈現梯度分布。理論研究表明，間隙Bσ+（σ ≤ 3）離子可有效弱化周圍的Ti-O鍵，使得N替代弱化后的Ti-O鍵的晶格氧所需的能量顯著降低，且間隙Bσ+的存在提高了N摻雜TiO2的穩定性。實驗發現，在氨氣氣氛下熱處理梯度間隙Bσ+摻雜的銳鈦礦TiO2，不僅N3-可有效替代晶格氧，而且N3-的空間分布與間隙Bσ+保持一致，呈現類似的梯度分布，表明間隙Bσ+對N摻雜的空間分布起到了關鍵的導向作用。其根源在于Bσ+對周圍的Ti-O鍵的弱化，使得N3-選擇性替代體相中被弱化的Ti-O鍵中的氧。同時，間隙Bσ+貢獻出的額外電子可有效補償N3-與O2-之間的電荷差異。

    研究獲得的B/N梯度共摻雜銳鈦礦TiO2材料呈現出獨特的紅色，在可見光全譜范圍內具有高的吸光率。光催化性能研究表明，此材料的光電解水產氫活性響應范圍接近700納米。該結果預示有可能利用TiO2基光催化材料來實現高效可見光分解水制氫。

    該工作為如何基于摻雜實現寬帶隙光催化材料的可見光吸收提供了一種新思路，可用于發展高性能可見光光催化材料。據了解，該工作已得到了中國國家自然科學基金委重大研究項目、科技部973項目和中科院“太陽能行動計劃”的資助。