太陽光電技術百家爭鳴,提高轉換效率為一大發展重點

作者 | 發布日期 2019 年 02 月 11 日 7:30 | 分類 太陽能 , 奈米 , 能源科技 follow us in feedly

近年來太陽光電不管是在裝置量還是技術方面都成長迅速,2018 年新增裝置量已突破 100GW,太陽能轉換效率也在去年不斷提高,不少廠商與研究所都已運用新技術大幅提升太陽能電池性能,盼可讓太陽光電成本效益比更上一層樓。




太陽光電技術千百種,除了市面上最常見的矽晶太陽能,還有薄膜、三五族化合物半導體太陽能與尚未抵達商業化的有機、鈣鈦礦太陽能等,各種技術百家爭鳴,並在 2018 年都已獲得長足的進展,各國科學家紛紛透過添加新元素、打造串疊電池與運用奈米科技來提高光電轉換效率。

其中光電轉換效率是衡量太陽能電池把光轉換為電的能力,目前市面上最普遍的矽晶轉換效率為15-22%,但以大規模商業化的技術而言,預期效率很難超過 25%,能提高 1-2% 就已經不錯了。

因此各大廠無不積極提升轉換效率,盼自家產品能展現出超乎預期的表現,而德國-哈梅恩太陽能研究所(ISFH)便迎來這項里程碑,該團隊已突破世界紀錄,研發出轉換效率高達 26.1% 的 P 型多矽晶太陽能,更在去年 11 月聲稱準備好跨出實驗室大門。

日前中國廠商隆基樂葉也將單晶太陽能中的 PERC 技術轉換效率提高到 24.06%,可說是商業尺寸最高紀錄者,同時亦打破業內此前認為的 24% 效率瓶頸。

而具有低成本、製程簡單與可撓特性的染料敏化等有機太陽能也是一盞能源新星,俄羅斯、法國與哈薩克聯合團隊先前便在有機聚合物中添加氟原子,成功在去年 7 月將有機太陽能的轉換效率從 3.7% 躍升至 10.2%;染料敏化太陽能則在澳洲團隊的幫助下,轉換效率提高到 8.3%,雖然距離商業化的 15% 標準還有一大段距離,但進展仍相當快速。

串疊電池技術受矚目

近年來也有科學家為了提高轉換效率,從在太陽能電池中添加新元素直接晉級到添加其他電池,讓兩種材料攜手合作、截長補短。目前除了出現鈣鈦礦 + 矽太陽能的組合,銅銦鎵硒(CIGS)薄膜 + 鈣鈦礦太陽能、矽 + 三五族化合物半導體太陽能等排列組合也紛紛登場,效率表現也十分不俗。

其中鈣鈦礦與矽是最常見的電池串疊組合,光是 2018 年有出現 4 項相關研究,這是因為矽晶太陽能板容易取得,發電性能也相當穩定;鈣鈦礦則進步潛力龐大,該技術轉換效率已在短短 9 年間從 3.8% 上升到 23.3%,兩者更可分工合作,鈣鈦礦主要將綠光、藍光轉換為電,矽負責紅光、近紅外光。

鈣鈦礦-矽太陽能的轉換效率也穩坐串疊型電池第一名寶座,英國太陽能廠商 Oxford PV 繼去年中旬打造轉換效率高達 27.3% 的鈣鈦礦-矽晶太陽能之後,又在 12 月突破到 28%,與此同時更順利解決鈣鈦礦耐用性較低的問題,商業化機率非常高。

位居轉換效率第二名的串疊型電池一樣為鈣鈦礦 + 矽太陽能,瑞士科學家去年 6 月打造出效率達 25.2% 的鈣鈦礦-矽晶太陽能,更樂觀認為很快可以實現 30% 效率;不過第三名就不是矽與鈣鈦礦的組合了,比利時科學家把鈣鈦礦跟薄膜太陽能中轉換效率最高的 CIGS 太陽能相結合,將轉換效率增加到 24.6%。

奈米技術助力光吸收

奈米為 21 世紀熱門用詞之一,現在許多新技術都藉由奈米科技來提高性能,而太陽能電池也不例外,不少科學家已在電池中加入奈米線、奈米粒子、奈米碳管等,試圖善加利用奈米技術的高表面積來增加吸光效率。

像是香港科學家先前成功在此有所進展,結合高電導奈米材料與半導體二氧化鈦奈米纖維,使太陽能轉換效率增加 40-66%;美國國家標準暨技術研究院(NIST)也研發出低成本奈米級塗層,利用數千個寬度相當於頭髮百分之一的奈米玻璃珠,讓光波可繞著奈米珠粒旋轉,進而提高光吸收與電流 20%。

美國太陽能公司 NovaSolix 則運用奈米碳管跟整流天線(rectifying antenna)製造有別於傳統技術的新型太陽能,將轉換效率躍升至 43%,72 片電池封裝的太陽能板瓦數最高更達 860Wp,且該技術其理論效率更高達 90%,顯然奈米科技是提升轉換效率不可或缺的力量。

目前許多人都認為太陽能轉換效率已觸頂,這是因為傳統的太陽能技術只能吸收特定波長的光,其他只能眼睜睜看著它們消散,這也就是知名的蕭基‧奎伊瑟極限(Shockley-Queisser limit),即使在理想日照與溫度環境,太陽能板最高也只能轉換 33.7% 太陽光。

但如今科學家已透過奈米技術突破這一限制,雖然這些技術尚在研發階段,製造過程比傳統太陽能難得多,量產後更得面對成本挑戰,但提高轉換效率即可加速成本下滑,最終電價就可跟傳統火力發電一樣低了。

(首圖來源:Flickr/Open Grid Scheduler / Grid Engine CC0 1.0)