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編者按：清潔能源成為了未來發(fā)展的大趨勢，太陽能電池便是其中之一，但是其轉(zhuǎn)換效率一直是難以解決的問題。現(xiàn)在，研究人員發(fā)現(xiàn)了影響其轉(zhuǎn)換效率的主要原因，通過改善將大大提高電池的使用壽命，這將為我們保護(hù)環(huán)境做出重要的貢獻(xiàn)，讓我們一起來領(lǐng)略一下“領(lǐng)導(dǎo)者”硅的風(fēng)光吧! 隨著低碳能源成為未來世界發(fā)展的大趨勢，在本世紀(jì)中葉，大規(guī)模太陽能發(fā)電成為減緩氣候變化的重要措施。氣候科學(xué)家認(rèn)為：到2030年，全球?qū)⑿枰^10萬億瓦(TW)的太陽能發(fā)電量，這絕不少于當(dāng)前發(fā)電量的50倍。在麻省理工光伏研究實(shí)驗(yàn)室(PVLab)，團(tuán)隊(duì)正致力于探索新技術(shù)，并幫助實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。“我們的工作是通過技術(shù)創(chuàng)新找到經(jīng)濟(jì)和環(huán)境可持續(xù)的方式使太陽能發(fā)電量達(dá)到10 TW以上。”機(jī)械工程和實(shí)驗(yàn)室主任的副教授Tonio Buonassisi說。

這是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。首先，他們計(jì)算到2030年實(shí)現(xiàn)10TW太陽能發(fā)電量所需的增長率，以及在沒有補(bǔ)貼幫助的情況下能夠?qū)崿F(xiàn)增長的最低價(jià)格，當(dāng)前的技術(shù)顯然不能完成任務(wù)。Buonassisi說：“這需要1萬億美元到4萬億美元的額外債務(wù)，這只是將現(xiàn)有技術(shù)推向市場來完成這項(xiàng)工作，這很難。那么，是否有其他什么方法呢?

使用結(jié)合技術(shù)和經(jīng)濟(jì)變量的模型，研究人員確定需要三個(gè)變化：一是將模塊的成本降低50%，二是將模塊的轉(zhuǎn)換效率(即太陽能轉(zhuǎn)換為電能的百分?jǐn)?shù))增加50%，三是將新建工廠的成本減少70%。這三項(xiàng)變化需要盡快在五年內(nèi)完成，將需要近期政策來激勵(lì)部署，并大力推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新以降低成本，使政府支持可以隨著時(shí)間的推移而減少。

在效率上邁進(jìn)

在MITPVLab和世界各地，太陽能的轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)取得了重大進(jìn)展。一種特別有前景的技術(shù)是鈍化發(fā)射區(qū)背面電池(PERC)，其基于低成本晶體硅，但具有比常規(guī)硅電池捕獲更多太陽能量的特殊“結(jié)構(gòu)”。雖然成本必須降低，但該技術(shù)有望使效率提高7%，許多專家預(yù)測其能被廣泛采用。

但是仍有一個(gè)問題需要解決。在現(xiàn)場測試中，一些包含PERC電池的模塊在太陽光下降解，轉(zhuǎn)換效率在前三個(gè)月下降了10%。機(jī)械工程博士Ashley Morishige表示：“這些模塊被認(rèn)為可以持續(xù)25年，然而在短短幾周到幾個(gè)月內(nèi)，它們的發(fā)電量下降到原設(shè)計(jì)的90%。這種情況令人非常困惑，因?yàn)橹圃焐淘诎l(fā)布產(chǎn)品之前已經(jīng)完全測試其產(chǎn)品的效率。此外，并不是所有的模塊都會(huì)出現(xiàn)問題，也并不是所有的公司都會(huì)遇到這個(gè)問題。有趣的是，花費(fèi)了幾年時(shí)間，公司之間才相互意識(shí)到其他公司也存在同樣的問題。制造商想出了各種方案來處理它，但其確切原因仍然未知，人們擔(dān)心它可能會(huì)在某一時(shí)刻重現(xiàn)，這可能影響下一代電池的架構(gòu)。

對(duì)于Buonassisi而言，這似乎是一個(gè)機(jī)會(huì)。他的實(shí)驗(yàn)室一般側(cè)重于晶片和電池材料的基礎(chǔ)研究，但研究人員同樣可以將他們的設(shè)備和專業(yè)知識(shí)應(yīng)用于模塊和系統(tǒng)。通過定義問題，他們可以支持采用這種高能效技術(shù)，幫助降低每瓦電力電量消耗的材料和勞動(dòng)力成本。

MIT團(tuán)隊(duì)與工業(yè)太陽能電池制造商密切合作，進(jìn)行了“根本性原因分析”以探尋問題的根源。該公司已經(jīng)幫助他們分析PERC模塊的意外退化，并報(bào)告了一些異常的趨勢。在測試中，閉合回路內(nèi)的PERC模塊在陽光下放置60天后，將不再擁有明顯優(yōu)于傳統(tǒng)太陽能電池的高效率;同樣的存儲(chǔ)條件，開路中模塊的效率則會(huì)發(fā)生更明顯的下降。此外，由不同硅錠制成的模塊顯示出不同的功率損耗行為，在960℃峰值溫度下制造的電池模塊，其效率的降低明顯快于860℃下燒制的電池。

亞原子不當(dāng)行為

想要解釋缺陷如何影響轉(zhuǎn)換效率，需要先了解太陽能電池如何在基本水平工作。在光敏材料中，電子可以處于兩個(gè)不同的能級(jí)：處在價(jià)帶的電子被束縛;而處在導(dǎo)帶的電子則可以自由運(yùn)動(dòng)。當(dāng)光照射到材料上時(shí)，電子可吸收足夠的能量從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，留下稱為空穴的空位。像這樣躍遷的電子，在失去該額外能量并回落到價(jià)帶之前，將在導(dǎo)帶上運(yùn)動(dòng)從而產(chǎn)生電流。

通常，電子或空穴必須增加或失去一定能量才能在能級(jí)之間躍遷。雖然空穴被定義為電子缺陷，但是物理學(xué)家將電子和空穴都視為半導(dǎo)體內(nèi)的載流子。硅中的金屬化或結(jié)構(gòu)缺陷在禁帶中引入缺陷能級(jí)，電子和空穴躍遷到中間能級(jí)，使得電子躍遷實(shí)現(xiàn)了較少的能量增益或損耗。如果電子和空穴都移動(dòng)，會(huì)發(fā)生電子-空穴復(fù)合，此時(shí)，開路電壓會(huì)有明顯下降。