太阳能的又一重大突破

在美国的上一个选举周期中，特朗普总统的主要竞选承诺之一是振兴垂死的煤炭部门并带回煤炭工作。但是，即使总统的激烈游说也无济于事，因为燃煤电厂继续稳步下降。TVA的巨型1,150兆瓦-Paradise 3燃煤电厂最近退役，尽管特朗普表示慷慨激昂，但仍严峻地提醒人们，煤炭最好的日子已经过去，美国能源部在其最新的行动中也给予了很多认可。报告。

所谓的天然气桥近来已成为煤炭的祸根。现在，下一代钙钛矿太阳能电池不仅可以将钉子钉在煤棺材上，而且还可以将这把刀扭曲成一个受苦的石油和天然气工业。

早在5月，我们曾报道说，美国能源部（DOE）的国家可再生能源实验室（NREL）已组建了一个名为US-MAP的公私合营企业，用于美国制造高级钙钛矿的企业联合会，旨在跟踪面向全球市场的低成本钙钛矿太阳能电池的开发。

这种合作关系似乎正在硕果累累，该财团最近宣布钙钛矿技术取得了令人鼓舞的进步，可以将钙钛矿太阳能电池的效率从目前的25％提升到理想的66％。

高性能钙钛矿光伏产品问世

硅板几乎占据了太阳能行业的主导地位，其中90％以上的板是使用通用元件制造的。

硅光伏电池具有以下优势：它们非常坚固并且相对容易安装。由于制造方法的进步，它们的价格也变得便宜了，尤其是在过去的十年中，尤其是在中国工厂建造的多晶面板。

但是，它们仍然存在重大缺陷：硅光伏面板效率很低，最便宜的型号只能根据位置，方向和天气条件等因素管理7％-16％的能源效率。确实，太阳能电池已经存在了六十多年，但商用硅几乎没有被刮到25％的范围内，理论上可以达到30％的最大值。这种可悲的状况是由于硅面板是基于晶圆而非薄膜的事实，这使硅面板更加坚固耐用。但是，权衡是效率。

为了满足世界迅速增长的能源需求，并实现有助于减缓气候变化影响的脱碳目标，实际上需要花费数百年的时间来制造和安装足够的硅PV面板。显然，考虑到我们只有10年的时间来采取行动来避免不可逆转和灾难性的气候变化，这太慢了，无法实现我们的目标。多年以来，科学家们一直在尝试替代晶体的形成，这种晶体可以使尺寸相似的面板捕获更多的能量。到现在为止，几乎没有什么设计在商业上可行，特别是在理论上可以实现更高效率的薄膜电池。

薄膜光伏面板可以吸收更多的光，因此可以产生更多的能量。这些面板的制造成本低廉，快速，可以在更短的时间内满足更多的能源需求。那里有几种不同类型的薄膜，它们都与标准晶体硅（c-si）PV面板有些不同。

非晶硅（a-Si）面板是最古老的薄膜形式：化学气相沉积法将一层薄薄的硅沉积在玻璃或塑料上，从而生产出重量轻，效率不高的轻面板，可管理13.6％。然后是碲化镉（CdTe）面板，它使用玻璃上的镉颗粒来生产高效面板，缺点是金属镉有毒且难以大量生产。

这些面板通常使用蒸发技术生产：将颗粒过热，然后将蒸气喷到坚硬的表面（例如玻璃）上。它们很薄，但不如目前主导市场的c-si面板可靠或耐用。迄今为止，钙钛矿已被证明是最有前途的，现在设法打破了效率玻璃的天花板。

钙钛矿是晶体家族，以俄罗斯地质学家Leo Perovski的名字命名。它们具有一系列特性，使其成为太阳能电池的潜在构成要素：高超导性，磁阻和铁电性。钙钛矿薄膜光伏面板可以吸收来自各种波长的光，从而在相同的太阳光强度下产生更多的电能。

2012年，科学家们终于成功制造出钙钛矿薄膜太阳能电池，其效率超过10％。但是从那以后，新型钙钛矿电池设计的效率飞速增长：最新的模型可以达到20％+，所有这些都来自于薄膜电池，从理论上讲，它比厚膜硅板制造起来更容易，更便宜。

在牛津大学，研究人员的效率达到了25％。一个德国研究团队的成绩达到了21.6％，而2018年12月，牛津实验室的效率达到了28％，创造了新的纪录。

美国国家可再生能源实验室（NREL）通过将钙钛矿放在硅太阳能电池上以制造多结太阳能电池来制造复合硅钙钛矿电池，新电池的效率为27％，而仅使用硅时效率仅为21％。

现在，最重要的突破是：能源部最大的科学和能源实验室橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Lab）宣布发现新型热载钙钛矿太阳能电池，其转换效率可达到66％。

根据ORNL的说法，“这一发现可以改善新型的热载流太阳能电池，通过在光生电荷载流子失去热量之前利用光生电荷载流子，可以比传统太阳能电池更有效地将阳光转化为电能。”

这里最大的技巧是防止太阳能电池浪费热量形式的能量。

“当阳光照射到太阳能电池上时，光子会在吸收材料中产生电荷载流子，即电子和空穴。热载流子太阳能电池可将载流子的能量迅速转换为电能，然后再以废热的形式损失掉。对于这些太阳能电池而言，防止热量损失是一个巨大的挑战，这些太阳能电池的效率是传统太阳能电池的两倍。常规钙钛矿太阳能电池的转换效率从2009年的3％提高到2020年的25％以上。设计良好的热载流子器件可以实现接近66％的理论转换效率。”

太阳下​​的瞬间

目前尚无关于价格或该产品何时投放市场的消息。不过，ORNL表示，它已经接近商业化的现实，可以部署在其他实际应用中，例如固态照明，动态感测和驱动，先进的辐射检测，量子信息科学以及光催化作用。未来。

时机似乎也很完美，未来二十年太阳能将主导全球电力市场。

作者Alex Kimani为Oilprice.com提供