科技创新给光伏产业带来发展的正能量

    曾几何时，“太阳能光伏”给我们带来了对更高的发电效率和更好的环保性能的憧憬。然而，近年来光伏发电并网难题、光伏产业产能过剩、太阳能产品价格走低、国际贸易纠纷四起等等因素，让这个产业前景黯淡。也许，只有技术的革新才是这个产业发展的坚实依靠。

    新型可弯曲可嵌入太阳能电池

    近日，美国硅谷的阿尔塔设备公司(Alta Devices)推出了一种新型的可弯曲可嵌入式太阳能电池，且这种电池的转换效率达到惊人的29%。这种基于砷化镓材料以及独特的生产工艺技术的新型太阳能电池或将引发太阳能产业和新能源产业的变革。

    阿尔塔设备公司CEO克里斯·诺里斯表示：“我们主要在三个方面实现了创新。一个是高效的生产工艺、一个是砷化镓晶片技术、一个是高效的转换率。”他同时介绍到，首先在一个临时的模板晶片上使用金属有机气相沉积工艺生产薄膜，然后将薄膜分离，并再次使用这个模板晶片，由此得到了极薄并可弯曲的薄膜，它可以做成任何形状。

    这种平板式传统单藕合薄膜太阳能电池具有较其他工艺生产的电池更高的转换效率。而多重藕合薄膜太阳能电池则含有多个层面，可吸收多种频率，能够实现更高的转换效率。据了解，在目前采用的太阳能电池技术中，多数基于多晶硅或者单晶硅材料，其转换效率最多可达到18%左右。

    基于此，该公司表示其已规划明年推出双重藕合薄膜太阳能电池产品，转换效率将提高到33%，而其未来3年的目标是实现转换效率达到37%的太阳能电池。

    此外，加州大学伯克利分校电气工程教授，同时也是阿尔塔设备公司的联合创始人艾利·亚布隆诺维奇的研究小组发现，多年来大家研究的太阳能电池都是尽可能收集光子来产生电能，但实际上，可以用相反的方法。他们认为太阳能电池散发光子的效果越好，电压就越高，也可以产生更大的效率。

    太阳能电池产生电力，是因为来自太阳的光子撞击电池内的半导体材料，光子的能量使材料中的电子自由流动。但是，这个过程中，撞击释放电子也可以产生新的光子，这个过程称为发冷光。阿尔塔设备公司采用了这一理念，其新型的太阳能电池中的光子不会消失在电池内，并且增加了太阳能电池产生的电压。

    据了解，这种新型电池的厚度仅有1微米，相比之下，人的头发直径大约为40微米。同时，可弯曲的特性可以激发更多应用。克里斯·诺里斯说：“人类100多年来最伟大的发明就是移动性大大提升，飞机、汽车、轮船让移动更方便，但是能源的消耗也更严重，传统太阳能电池笨重脆弱很难实现便携，而我们的电池则可以轻松实现便携和嵌入应用。”

    旋转太阳能电池效率高出20倍

    近日，美国V3太阳能公司在传统技术基础上，设计出一种“旋转太阳能电池”，其比现有太阳能电池发电效率高出近20倍。

    据了解，这种“旋转太阳能电池”虽然其发电单元依然是传统太阳能电池板，但与众不同的是，它有一个独特的锥形支架。在使用时，支架会进行旋转，且无须任何用来追寻太阳移动轨迹的软件或硬件。

    当然，还有一点也是很重要的，那就是这种电池的外形真的很酷。

    到目前为止，几乎所有的太阳能电池组都是由平板太阳能电池所组成的。为了提高其发电效率，研究者一方面将太阳能电池板安装在可以追寻太阳移动轨迹的支架上，另一方面，则通过加装透镜或反射镜让更多的光线照射在太阳能电池板上。不过，这两种方法常常会导致电池板因被暴晒而温度过高，严重时电池甚至会被烧毁。

    为了防止这种现象发生，V3太阳能公司的工程师将电池板安装在一个可以旋转的锥形支架上。这样，每块电池板被照射的时间相对较短，温度不会上升至将其毁坏的程度，并且当锥形架转动时，未被阳光直射的电池板还可以自行冷却。而用于驱动锥形支架旋转的电力，则来自于附着在其上的太阳能电池板。

    业内专家认为，这种新型太阳能电池是集工程科技和艺术于一体的奇迹，既有远高于传统平板太阳能电池的光电转化效率，又有令人着迷的外观。

    不过，价格或许是该电池唯一的缺憾。虽然该公司没有透露具体的金额，但可以肯定，它会比传统太阳能电池板昂贵许多。所以，现在的问题是，其20倍的光电转化效率能否抵消其造价。

    氧化铝创溶液处理太阳能电池转化新纪录

    据物理学家组织网报道，由英国牛津大学科学家带领的研究团队，以违反直觉的方式，用低光敏性的氧化铝（Al2O3）替代光激发能力良好的二氧化钛（TiO2）作为电极，将溶液可处理的太阳能电池的转化效率提升至10.9%，创造了新的纪录。

    这项研究利用了氧化铝能够充当惰性支架，迫使电子停留其中，并通过超薄的吸收体层进行传送的性能。

    研究人员表示，虽然含有砷化镓的太阳能电池的转换效率已经达到28%左右，但此次在溶液可处理的固态太阳能电池领域，取得了新的成绩。同时，这一转化率还有望在未来数年内急速提升。

    据了解，在吸收光子并生成电子的光电过程中，基本的能量损失会逐步上升。为了克服这些损失，此前的研究试图将厚度为2纳米至10纳米的镀锌层，附加到二氧化钛电极的内表面，以增强电流密度和电压。

    而之前带有镀锌层的太阳能电池的转化效率仅为6.3%，科学家分析这很可能与二氧化钛导致的电子混乱和低迁移率有关。因此他们在此次的研究中改用氧化铝作为电极，其所生成的光激电子能被保留在镀锌层内，而不会降低氧化物内的能级水平。

    同时，使用氧化铝电极还具有多种优势，例如它能显著提升电子的传送速度，迫使电子快速穿过钙钛矿镀锌层，并同时提高电压。这一改进也能使太阳能电池的转化效率从8%左右提升至10.9%。因为氧化铝充当了中尺度的支架，而不在光致激发中发挥任何作用。

    科研人员表示，这项工作使低成本的溶液处理太阳能电池离晶体半导体的完美性能又近了一步，也为今后的研发开辟了广泛的可能性。他们还期望通过使用新型的钙钛矿和其他半导体，或是扩展光的吸收范围等途径，使电池未来的效率能够得到进一步提升。

    二氧化钛光催化材料实现全谱吸收

    近日，中科院金属研究所沈阳材料科学国家（联合）实验室提出，利用间隙原子弱化金属原子与氧（M-O）的键合实现替代晶格氧的掺杂原子进入体相的新机制，获得了梯度掺杂的锐钛矿TiO2，实现了可见光全谱强吸收，将TiO2光电解水产氢的活性光响应范围拓展至700纳米。

    就像光催化分解水制氢一样，光催化可实现太阳能到化学能的转化，是获得新能源的一个重要途径。发展可以有效吸收可见光（波长在400-700纳米之间）的光催化材料是实现高效太阳能光催化转化的前提，然而多数稳定的光催化材料的可见光吸收低。掺杂能够缩小光催化材料的带隙，是增加光催化材料可见光吸收的基本手段。锐钛矿TiO2是研究最为广泛的光催化材料，目前利用掺杂手段在一定程度上增加了该材料的可见光吸收，但仍无法实现全谱强吸收。

    该实验室一直致力于解决宽带隙光催化材料的可见光全谱强吸收的难题。前期的系列研究揭示，掺杂原子的空间分布是决定掺杂能否缩小带隙的本质因素，即表面掺杂只能在带隙中引入局域化能级，体相掺杂可缩小带隙。同时，提出利用层状结构来实现掺杂原子在体相的均相分布的思路，增加光催化材料的可见光吸收。

    据了解，掺杂阴离子难以进入金属氧化物体相本质上是由M-O键的高键能以及掺杂离子与替代晶格离子间的电荷差异造成的。研究人员通过先期发展的“掺杂剂与前躯体合而为一”的特色制备思路，以TiB2晶体为前驱体，通过水热及后续的热处理过程获得了间隙硼掺杂的锐钛矿TiO2微米球，并且硼在从球表面至体相厚约50纳米的范围内呈现梯度分布。理论研究表明，间隙Bσ+（σ ≤ 3）离子可有效弱化周围的Ti-O键，使得N替代弱化后的Ti-O键的晶格氧所需的能量显著降低，且间隙Bσ+的存在提高了N掺杂TiO2的稳定性。实验发现，在氨气气氛下热处理梯度间隙Bσ+掺杂的锐钛矿TiO2，不仅N3-可有效替代晶格氧，而且N3-的空间分布与间隙Bσ+保持一致，呈现类似的梯度分布，表明间隙Bσ+对N掺杂的空间分布起到了关键的导向作用。其根源在于Bσ+对周围的Ti-O键的弱化，使得N3-选择性替代体相中被弱化的Ti-O键中的氧。同时，间隙Bσ+贡献出的额外电子可有效补偿N3-与O2-之间的电荷差异。

    研究获得的B/N梯度共掺杂锐钛矿TiO2材料呈现出独特的红色，在可见光全谱范围内具有高的吸光率。光催化性能研究表明，此材料的光电解水产氢活性响应范围接近700纳米。该结果预示有可能利用TiO2基光催化材料来实现高效可见光分解水制氢。

    该工作为如何基于掺杂实现宽带隙光催化材料的可见光吸收提供了一种新思路，可用于发展高性能可见光光催化材料。据了解，该工作已得到了中国国家自然科学基金委重大研究项目、科技部973项目和中科院“太阳能行动计划”的资助。