光伏新突破，效率接近40%，晶体硅太阳能电池会被淘汰吗？

伴随着科技的进步，我们的生活也在发生着变化，例如在不久之前科学家们就在太阳能领域取得了重大突破，对于可再生能源这可能会是一个翻天覆地的变化。这期让我们走近太阳能领域的新宠————钙钛矿有机太阳能电池。

某种意义上讲，太阳能可以算是可再生能源的鼻祖，在它的身上有很多优点，比如环保、取之不尽、用之不竭等等，这也是我们对它如此着迷的主要原因。不过，它的缺点也不少，其中最突出的就是效率严重不足，这也是十几年来在太阳能技术上，我们一直无法逾越的鸿沟。但是现在，伴随着一项新技术和新材料的出现，太阳能效率低下的壁垒可能会被打破。

美国国家可再生能源实验室最近宣布，它们利用一项全新技术在普通光照的环境中，成功地将太阳能电池的效率提升到了39.5%，这绝对是里程碑式的进步。要知道，2019年在集中光照的条件下，太阳能电池的最高效率也只有47.1%，这里所用到的就是倒置变质多节太阳能电池，简称IMM。IMM电池主要有三层，每一层都由不同材料制成，每种材料都可以吸收不同光波范围的太阳光，这样就可以让整块电池获得更多的能量，在层与层之间还设计有300个量子阱，它也成为了整块电池的关键。

无独有偶，英国萨里大学也研发出了一种新材料，可以为太阳能板增加25%的能量吸收。它的厚度只有1微米呈蜂窝状结构，在常规结构的硅电池上有近三分之一的光照会被反射出去，而蜂窝结构却能有效避免这种现象的发生，提高电池效率。这种结构的设计灵感主要来自于蝴蝶翅膀和鸟的眼睛。研究人员发现，2022年蜂窝结构太阳能板每平方厘米的吸收率为26.3毫安，相比于2017年的普通结构，每平方厘米19.72毫安的吸收率足足提高了25%。现在市面上大概有95%的太阳能板是由硅材料制成的。而这期我们要讲到的是一种全新合成材料，它就是钙钛矿。

钙钛矿很容易在物体表面聚合，这意味着它可以单独使用，也可以跟其他电池技术结合使用。例如晶体硅电池、钙钛矿半导体，甚至可以将光谱中的蓝色光吸收转化成能量。所以，当把它跟硅电池结合使用时，我们可以获得30%的效率，而在单独使用钙钛矿电池时，它的效率只有25%。虽然钙钛矿具有便宜、高效、轻薄等诸多优点，但它的缺点同样显著。首先就是它的耐用性，因为钙钛矿过于轻薄，所以几乎无法承受暴雨、强光和冰雹天气带来的冲击。为了解决这个问题，科学家们研发出了一种新型有机金属化合物，来延长钙钛矿电池的使用寿命。研究发现，加入了这种化合物在使用1500小时后，依旧有98%的电池可以将效率保持在25%。它还以优异的成绩通过了湿热稳定性测试，那么钙钛矿的寿命为什么这么低呢？

2022年5月，剑桥大学和日本冲绳理工学院的科学家们发现，导致钙钛矿光降解问题背后的罪魁祸首之一就是纳米陷阱簇。它不仅会导致电池效率降低，还会让材料结构更加脆弱，想避免这个问题，最好的办法只能是改变它的结构，通过打印的方式制造太阳能电池，又会是一种怎样的体验呢？有机动力电池是通过将光伏材料印刷到像塑料薄片等柔性材料上制成的，这些薄如纸片的太阳能电池完全由有机材料组成，它具有制造简单、灵活性高和重量轻等诸多优点。有机动力电池的生产，就跟印刷报纸一样简单，它的成本只有硅电池的一半，每平方米的重量也只有2公斤，预计到2023年，每平方米的重量将减轻到1公斤，跟硅电池不同，即便在室内使用，有机动力电池的效率也不会降低，所以它更受室内设备以及可穿戴设备的青睐。

虽然为了降低负荷，有机动力电池的效率很低，只有10%左右，但它的使用年限却很长，足足有20年，这要远远长于钙钛矿电池的寿命。如果批量生产成功，有机动力电池的成本还将会降低一半，德国的一家初创公司（heliotech），最早将于今年开始大规模生产这种有机太阳能电池，巴西初创公司sun new，也计划生产这种有机电池。目前sun new已经生产了10000平方米，大部分都用于汽车车顶。瑞典的 epishine公司在去年12月，就已经将它们的微型太阳能电池投放进了市场，它的能量效率为13%，寿命为10年。这些有机电池可用于温度和湿度传感器，火灾报警器以及读卡器中。日本理光公司也已经开始小规模生产这种太阳能电池，虽然每年的产能只有100平方米，但也足够为50000个小型设备提供动力。

全氟化硫酸离聚物主要有由二氧噻吩和聚丙乙烯硫酸盐组成，它也是一种导电聚合物。不幸的是，这种物质溶于水，且具有很强的酸性。不过，华盛顿大学的研究人员发现了一种新的聚合物，这种物质存在于酒精中酸性很低，用它制作的太阳能板转化率可以达到15%。在工作1330小时后，可以保留其83%的初始效率。那么，这些新型太阳能技术真的可以颠覆整个行业吗？虽然新型技术可以提高利用率，但制造成本同样高得惊人，它已经成为了阻碍可再生能源大规模量产的主要原因之一。

想要更好的发展，我们必须要找到一种让成本和效率更加平衡的方法。所以，萨里大学的蜂窝太阳能板似乎更具潜力，它在提高效率的同时，通过减少硅的使用进一步压缩了成本，只是这种技术距离市场化生产还有很长的路要走，而距离我们最近的新型太阳能技术就是钙钛矿，虽然已经小规模量产，但要真的民用化仍然有很多技术问题需要被攻破。

除了高昂的制造成本，在使用几个月后，钙钛矿电池的效率损失高达10%，相比之下，在使用30-40年后，硅电池的效率损失只有20%左右。那么，该如何更合理地利用新型太阳能技术呢？以钙钛矿为例，如果我们把它和硅电池结合在一起，由于材料属性不同，它们就会吸收不同波段的光线这将起到很好的能量互补作用。有机动力电池重量轻、弹性好，它们可以被大面积安置在屋顶或墙壁等位置，当然，因为寿命更长，它也可以被用在小型可穿戴设备上。

千万不要小看了这块蛋糕，到2026年，全球智能传感器市场份额可能将高达296亿美元，虽然新型太阳能技术层出不穷但是到目前为止，我们仍旧无法找到使用它们的最优方案。要么是体积太大，要么是效率低下，又或者是寿命太短。

那么，你觉得谁会成为硅太阳能电池的有力竞争者呢？