65%光吸收率！薄膜硅光伏电池有重大创新

电子发烧友网报道（文/吴子鹏）近日，一篇发布在《美国化学学会·光子学》杂志上面的论文得到广泛关注，荷兰和英国科学家借助一种纳米纹理结构，使薄膜硅光伏电池变得不透明，并因此增强了其吸收太阳光的效率，可达到65%，为目前世界上的最高记录。
 
薄膜电池是指在玻璃、柔性聚合物等基板上沉积一层厚度不大于20微米的薄膜，并在这层薄膜中制作 PN 结等组成的太阳电池。薄膜太阳电池主要包括硅基薄膜、化合物类和有机薄膜。这一成果若能够实现商业落地，将会极大地提升第二代薄膜太阳能电池的市占比，让薄膜硅电池从补充手段一下子成为主流的部署方案。

效率一直是光伏头疼的问题

当前国家正在大力推行以“双碳目标”为引导的节能减排，风电光伏等新能源发展受到了前所未有的重视。根据国家统计局的统计数据，2016年至2020年我国光伏电池产量由7681.0万千瓦增至15728.6万千瓦。2021年国家明确提出“双碳”时间表之后，光伏电池产量增速将进一步提升，预计到2025年我国光伏电池产量将增至40367万千瓦。
 
一直以来，限制光伏产业发展的因素主要有两个，一个是成本，一个是效率。在成本方面，根据中国光伏行业协会的数据分析，2019年全投资模型下分布式光伏发电系统已经在工商业方面实现了用电侧平价，2021年后国内近80%的地区已经实现居民用电侧平价。
 
另一个问题就是效率问题，此前光伏发电的成本下降更多是受益于功率半导体的效率提升，但效率提升进展非常缓慢。光伏是进行光电转换，在此前的方案设计中，由于光谱问题一半的光能量对电池没有贡献，这被吸收的另外50%光能量中的一半则会以热量形式被消耗，那么光伏电池的最高效率基本就是25%左右。
 
下图是光伏巨头隆基股份的一张宣传图，该公司在单晶硅片上创造了转换效率为25.47%的大尺寸p型光伏电池效率世界纪录。是的，这已经是世界纪录。
 

图源：隆基股份

 
2021年，隆基股份曾多次在晶硅太阳能电池方面打破电池转换效率世界纪录，将n型TOPCon、p型TOPCon和n型HJT电池转换效率分别被推高至25.21%、25.19%、26.30%。当众所周知的是，晶硅太阳能电池转换率的极限是29.43%，再想突破只能从结构和材料方面着手了。
 
从理论上讲，如果第二代薄膜太阳能电池通过增加光吸收率，进而将电池转换效率提高到超过晶硅的水平，那么第二代薄膜太阳能电池的市占比有望快速提升。根据智研咨询的整理数据，2019年全球光伏电池市场里，薄膜电池仅占到4.63%。
 

图源：智研咨询

 
从当前的产业发展来看，薄膜电池进展迟缓，2020年的市占比也只有5.13%，一个重要原因就是转换效率不高。虽然汉能集团已经将砷化镓薄膜单结电池转换效率达到28.9%，但市面上主流的薄膜电池的单体效率基本在14%-17%，和晶硅电池的18%-21%相比，差距还较为明显。在当前的转换效率下，薄膜电池单位面积上的输出电量更低的弱点会被放大，大概需要增加一倍的电池面积才能够提供和晶硅电池差不多的输出电量，在尺寸受限应用方面难以发挥自身成本低、弱光性好等优势。
 

接近约70%理论吸收极限
 

根据荷兰和英国研究人员的表述，目前薄膜电池的光吸收率大概只有25%的水平，他们利用新方法设计出的纳米结构表面有一种超均匀分布图案，可将直射太阳光限定于一个角度范围内，从而将更多光捕获在硅膜内。
 

图源：AMOLF

 
研究人员仔细描述了这种图案的发现过程，萨里大学先进技术研究所 (ATI) 的Marian Florescu博士说：“我们的方法是在蝴蝶翅膀和鸟眼的设计中与大自然相呼应，这种无序但均匀的蜂窝设计将光捕获在太阳能电池内，从而产生更多能量。”
 
实验结果显示，这种创新方法能够将薄膜硅光伏电池的光吸收率提升到65%，是迄今薄膜硅光伏电池表现出的最高水平，接近约70%的理论吸收极限。
 
目前，薄膜电池一个重要的应用场景是BIPV（Building Integrated Photovoltaic，建筑光伏一体化），也就是将光伏组件和建筑材料集成在一起，打造光伏+建筑的商业场景。由于具有电池组件透光率可调，尺寸大小可定制，颜色图案可变，色彩整体性强等突出优势，薄膜电池比晶硅电池更加适用于建筑领域。
 
AMOLF研究人员表示，“基于超均匀图案的强光捕获性能，我们估计1μm厚的c-Si电池的光伏效率可以达到20%以上，这将代表向着柔性方向的绝对突破。”这种柔性特性对BIPV应用也很重要，同时光伏效率已经达到了现阶段晶硅光伏的主流水平。此外，根据现有的实验结果，可以稳定实现的21%光电转换效率并不是这种新技术的极限水平，预计超越晶硅光伏电池的水平不是很难。
 
同时，相较于晶硅电池，这种创新设计的薄膜电池具有更出色的绿色性能。与厚的对应物相比，更薄的硅吸收体更能容忍电子缺陷。这意味着高效的薄硅电池也可以由低品位的硅制成，从而减少原料硅纯化的能源需求并缩短其能源回收时间。
 
研究人员指出，尽管这种高效薄膜电池距离应用还有一段距离，但超均匀图案薄膜光伏电池极具潜力。

总结

根据alliedmarketresearch的统计数据，2020年全球薄膜太阳能电池市场规模为 113 亿美元，预计到 2030 年将达到 253 亿美元，从 2021 年到 2030 年的复合年增长率为 8.4%。
 
近几年晶硅电池的快速发展主要得益于成本的下降，使得原本从事薄膜电池研究的企业暂停了相应的扩产计划，但随着各国政策对BIPV的推崇，以及各国对绿色能源认识度提高，具有更好的性能效率、更低的成本以及更灵活的安装特性的薄膜电池拥有巨大的增量市场。因而，荷兰和英国科学家的这项创新具有非常好的商业化前景。
 
我国薄膜电池研究起步于上世纪70年代，目前已经形成了较为完备的产业链，拥有汉能、风帆光伏、强生光电、国电光伏、天威薄膜光伏等众多厂商，但薄膜电池发展需要产学研的多方合作，国内也需要更多像本文提到的这种创新技术，为我国节能环保事业的发展赋能。