行業(yè)動態(tài)
網站當前位置：網站首頁 > 行業(yè)動態(tài)- 太陽電池的未來技術會是什么？
太陽電池的未來技術究竟會是什么？今天之所以想簡單聊下這個話題，是因為按照目前光伏技術的發(fā)展趨勢，不出意外的話，在接下來的3-4年內，無論是基于n型TOPCon，硅異質結（SHJ）或者BC技術的單結晶硅電池都會先后達到量產效率極限。筆者認為單結晶硅電池的量產效率極限應該在27.5-27.8%左右，且這三種技術的量產極限效率差異也不會太大（最高和最低的差距預期在0.6%以內）。
我們先簡單回顧下過去十年內發(fā)生的兩次重要的太陽電池技術更新?lián)Q代，第一次是在2019年初完成的PERC電池替代傳統(tǒng)鋁背場電池，與此同時單晶也完成了對多晶的替代；第二次是在2024年基本完成的p型PERC電池被以n型TOPCon電池（也有少部分硅異質結和BC電池）為代表的新一代n型技術所替代。
現(xiàn)在問題來了，當單節(jié)晶硅電池量產效率達到極限后，太陽電池的下一步技術將何去何從？筆者記得7年多前在一次小范圍的晚宴上曾當面請教過行業(yè)知名專家趙建華博士兩個問題，第一個問題是單結晶硅電池效率的量產極限應該是多少，第二個問題是當電池量產效率達到極限后研發(fā)該做什么。我清楚地記得趙建華博士對第一個問題的答案應該是26.5%左右（基于當時的技術和設備情況，這個預期也非常客觀）。而對于第二個問題，趙博士當時自言自語說了下“研發(fā)該做什么呢？”，然后半開玩笑地說到“那研發(fā)都去做生產吧”。從趙博士的回答可見，當時由于離晶硅達到極限量產效率的時間還相當久遠，行業(yè)還沒有準備好去認真考慮再下一代太陽電池的技術路線。
未來的電池路線究竟會是什么？有沒可能3-4年后當單結晶硅電池達到量產極限時行業(yè)的技術發(fā)展會陷入階段性的停滯？這些很值得大家去思考。筆者個人認為，從長期看光伏技術總是要向前發(fā)展的，但3-4年后階段性陷入停滯的可能性也不是完全沒有，這主要要看當下幾個新技術的發(fā)展速度能不能趕得上晶硅電池達到效率極限的速度了。
首先來看大家很關注的鈣鈦礦電池技術，這幾年鈣鈦礦的技術發(fā)展非常迅速，實驗室效率突飛猛進，全世界各大高校和研究機構都有很多學者在從事鈣鈦礦的研究。但坦率地說，鈣鈦礦想替代晶硅，在未來相當相當長一段時間內基本是不可能的，主要原因還是鈣鈦礦電池在大面積下效率下降和穩(wěn)定性不佳的問題解決起來難度極其巨大（鈣鈦礦這樣的基于低溫工藝產生的多元素化合物材料，理論上是不可能達到晶硅這樣的穩(wěn)定性的）。還有另外一個原因，隨著這兩年晶硅組件價格的急劇下降，鈣鈦礦先前在成本上的優(yōu)勢已經基本消失。所以未來相當長一段時間內，單結或者自疊層鈣鈦礦電池都難以對晶硅形成實際的挑戰(zhàn)，更無法在3-4年后能接替晶硅成為下一代主流技術。
再來看基于晶硅的疊層電池，目前行業(yè)一致看好的是鈣鈦礦加晶硅的疊層技術（III-V族和晶硅疊層電池的成本太高，基本不予考慮），現(xiàn)在實驗室基于大尺寸硅片的疊層電池效率世界紀錄也已經超過34%（由隆基在今年創(chuàng)造），這個數(shù)據確實非常振奮人心。筆者也認為，鈣鈦礦和晶硅做疊層電池應該是未來鈣鈦礦的最佳出路，可以有效解決單純鈣鈦礦電池面臨的問題。未來實現(xiàn)30%以上量產效率的電池，最有可能率先達到的技術路徑應該就是鈣鈦礦加晶硅疊層。但鈣鈦礦加晶硅疊層技術也面臨著很大的挑戰(zhàn)，首先是長期可靠性的問題，還需要行業(yè)的持續(xù)戶外數(shù)據來驗證，而目前基本沒有數(shù)據。另外一個特別關鍵的問題就是，鈣鈦礦加晶硅結構的疊層電池主要利用鈣鈦礦材料帶隙高度可調的特性，讓鈣鈦礦在上層響應光譜的短波段而讓晶硅在下層響應光譜的長波段，上下層在電路上處于串聯(lián)關系。在實驗室的標準AM1.5光譜下，上下層可以對長短波的光譜和諧分工，電流一致、電壓疊加，達到理想的效率狀態(tài)。但在實際的戶外條件下，光譜通常和標準的AM1.5有較大的偏差，這時上下層對光譜的響應和實驗室測試條件下會產生各種不一致的偏離，響應變差的那層電流會出現(xiàn)明顯下降，而串聯(lián)電路決定了整個電路中的電流會取其中的最小值，這時疊層電池的實際效率相比測試效率會急劇下降而且會產生明顯的發(fā)熱效應。因此鈣鈦礦加晶硅疊層電池的實際戶外發(fā)電表現(xiàn)存在著非常大的不確定性，需要更多的戶外數(shù)據來驗證其發(fā)電性能并逐步找到相對有效的解決方案。綜合來看，3-4年后鈣鈦礦加晶硅疊層技術大面積取代單結晶硅電池的難度依然很大，前景并不是非常樂觀。
最后再來看一個目前尚處于最早期驗證階段的新技術概念，據了解截至目前還沒研制出實驗樣品。這種技術的理念是用特殊的表面材料將處于高頻率短波段的一個光子轉換成中長波段的一對光子（根據量子物理學，頻率越高、波長越短的光子攜帶的能量更高：E=hv），轉換后的一對光子再作用到晶硅上，這樣電池的內量子效率（EQE）得到顯著提高，從而大幅提升轉換效率。基于理論模型，該結構的電池能輕松達到30%以上的轉換效率（有國外機構將這種技術叫做Singlet Fission）。這是一種聽起來讓人非常向往的技術，但預計這種新技術從概念到實驗室樣品再到階段驗證的周期至少需要6年以上，目前也尚不清楚未來能否大規(guī)模量產，因此3-4年后大概率是沒法指望這種技術來接班單結晶硅電池了。
綜上所述，以現(xiàn)階段各種新技術的發(fā)展進度來看，當3-4年后單結晶硅電池達到量產效率極限后，能及時出現(xiàn)有一個可以平穩(wěn)有序實現(xiàn)量產替代的新技術的難度很大，也可能不排除行業(yè)會出現(xiàn)2年左右的量產效率停滯的階段性瓶頸期。所以，留給各大機構和企業(yè)研發(fā)人員的任務還是很重，唯有不斷努力創(chuàng)新，才能確保光伏技術的長期可持續(xù)發(fā)展。衷心希望更好的新技術替代能夠早日實現(xiàn)，讓光伏能夠在不久的將來真正成為全球能源的中流砥柱。
素材來源：恒卓光伏
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