太陽(yáng)電池的未來(lái)技術(shù)會(huì)是什么？

太陽(yáng)電池的未來(lái)技術(shù)究竟會(huì)是什么？今天之所以想簡(jiǎn)單聊下這個(gè)話題，是因?yàn)榘凑漳壳肮夥夹g(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，不出意外的話，在接下來(lái)的3-4年內(nèi)，無(wú)論是基于n型TOPCon，硅異質(zhì)結(jié)（SHJ）或者BC技術(shù)的單結(jié)晶硅電池都會(huì)先后達(dá)到量產(chǎn)效率極限。筆者認(rèn)為單結(jié)晶硅電池的量產(chǎn)效率極限應(yīng)該在27.5-27.8%左右，且這三種技術(shù)的量產(chǎn)極限效率差異也不會(huì)太大（最高和最低的差距預(yù)期在0.6%以?xún)?nèi)）。

我們先簡(jiǎn)單回顧下過(guò)去十年內(nèi)發(fā)生的兩次重要的太陽(yáng)電池技術(shù)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(chǎng)電池，與此同時(shí)單晶也完成了對(duì)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(zhì)結(jié)和BC電池）為代表的新一代n型技術(shù)所替代。

現(xiàn)在問(wèn)題來(lái)了，當(dāng)單節(jié)晶硅電池量產(chǎn)效率達(dá)到極限后，太陽(yáng)電池的下一步技術(shù)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(dāng)面請(qǐng)教過(guò)行業(yè)知名專(zhuān)家趙建華博士?jī)蓚€(gè)問(wèn)題，第一個(gè)問(wèn)題是單結(jié)晶硅電池效率的量產(chǎn)極限應(yīng)該是多少，第二個(gè)問(wèn)題是當(dāng)電池量產(chǎn)效率達(dá)到極限后研發(fā)該做什么。我清楚地記得趙建華博士對(duì)第一個(gè)問(wèn)題的答案應(yīng)該是26.5%左右（基于當(dāng)時(shí)的技術(shù)和設(shè)備情況，這個(gè)預(yù)期也非?？陀^）。而對(duì)于第二個(gè)問(wèn)題，趙博士當(dāng)時(shí)自言自語(yǔ)說(shuō)了下“研發(fā)該做什么呢？”，然后半開(kāi)玩笑地說(shuō)到“那研發(fā)都去做生產(chǎn)吧”。從趙博士的回答可見(jiàn)，當(dāng)時(shí)由于離晶硅達(dá)到極限量產(chǎn)效率的時(shí)間還相當(dāng)久遠(yuǎn)，行業(yè)還沒(méi)有準(zhǔn)備好去認(rèn)真考慮再下一代太陽(yáng)電池的技術(shù)路線。

未來(lái)的電池路線究竟會(huì)是什么？有沒(méi)可能3-4年后當(dāng)單結(jié)晶硅電池達(dá)到量產(chǎn)極限時(shí)行業(yè)的技術(shù)發(fā)展會(huì)陷入階段性的停滯？這些很值得大家去思考。筆者個(gè)人認(rèn)為，從長(zhǎng)期看光伏技術(shù)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(méi)有，這主要要看當(dāng)下幾個(gè)新技術(shù)的發(fā)展速度能不能趕得上晶硅電池達(dá)到效率極限的速度了。

首先來(lái)看大家很關(guān)注的鈣鈦礦電池技術(shù)，這幾年鈣鈦礦的技術(shù)發(fā)展非常迅速，實(shí)驗(yàn)室效率突飛猛進(jìn)，全世界各大高校和研究機(jī)構(gòu)都有很多學(xué)者在從事鈣鈦礦的研究。但坦率地說(shuō)，鈣鈦礦想替代晶硅，在未來(lái)相當(dāng)相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)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(wèn)題解決起來(lái)難度極其巨大（鈣鈦礦這樣的基于低溫工藝產(chǎn)生的多元素化合物材料，理論上是不可能達(dá)到晶硅這樣的穩(wěn)定性的）。還有另外一個(gè)原因，隨著這兩年晶硅組件價(jià)格的急劇下降，鈣鈦礦先前在成本上的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)基本消失。所以未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，單結(jié)或者自疊層鈣鈦礦電池都難以對(duì)晶硅形成實(shí)際的挑戰(zhàn)，更無(wú)法在3-4年后能接替晶硅成為下一代主流技術(shù)。

再來(lái)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(shù)（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(shí)驗(yàn)室基于大尺寸硅片的疊層電池效率世界紀(jì)錄也已經(jīng)超過(guò)34%（由隆基在今年創(chuàng)造），這個(gè)數(shù)據(jù)確實(shí)非常振奮人心。筆者也認(rèn)為，鈣鈦礦和晶硅做疊層電池應(yīng)該是未來(lái)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(wèn)題。未來(lái)實(shí)現(xiàn)30%以上量產(chǎn)效率的電池，最有可能率先達(dá)到的技術(shù)路徑應(yīng)該就是鈣鈦礦加晶硅疊層。但鈣鈦礦加晶硅疊層技術(shù)也面臨著很大的挑戰(zhàn)，首先是長(zhǎng)期可靠性的問(wèn)題，還需要行業(yè)的持續(xù)戶(hù)外數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證，而目前基本沒(méi)有數(shù)據(jù)。另外一個(gè)特別關(guān)鍵的問(wèn)題就是，鈣鈦礦加晶硅結(jié)構(gòu)的疊層電池主要利用鈣鈦礦材料帶隙高度可調(diào)的特性，讓鈣鈦礦在上層響應(yīng)光譜的短波段而讓晶硅在下層響應(yīng)光譜的長(zhǎng)波段，上下層在電路上處于串聯(lián)關(guān)系。在實(shí)驗(yàn)室的標(biāo)準(zhǔn)AM1.5光譜下，上下層可以對(duì)長(zhǎng)短波的光譜和諧分工，電流一致、電壓疊加，達(dá)到理想的效率狀態(tài)。但在實(shí)際的戶(hù)外條件下，光譜通常和標(biāo)準(zhǔn)的AM1.5有較大的偏差，這時(shí)上下層對(duì)光譜的響應(yīng)和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試條件下會(huì)產(chǎn)生各種不一致的偏離，響應(yīng)變差的那層電流會(huì)出現(xiàn)明顯下降，而串聯(lián)電路決定了整個(gè)電路中的電流會(huì)取其中的最小值，這時(shí)疊層電池的實(shí)際效率相比測(cè)試效率會(huì)急劇下降而且會(huì)產(chǎn)生明顯的發(fā)熱效應(yīng)。因此鈣鈦礦加晶硅疊層電池的實(shí)際戶(hù)外發(fā)電表現(xiàn)存在著非常大的不確定性，需要更多的戶(hù)外數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證其發(fā)電性能并逐步找到相對(duì)有效的解決方案。綜合來(lái)看，3-4年后鈣鈦礦加晶硅疊層技術(shù)大面積取代單結(jié)晶硅電池的難度依然很大，前景并不是非常樂(lè)觀。

最后再來(lái)看一個(gè)目前尚處于最早期驗(yàn)證階段的新技術(shù)概念，據(jù)了解截至目前還沒(méi)研制出實(shí)驗(yàn)樣品。這種技術(shù)的理念是用特殊的表面材料將處于高頻率短波段的一個(gè)光子轉(zhuǎn)換成中長(zhǎng)波段的一對(duì)光子（根據(jù)量子物理學(xué)，頻率越高、波長(zhǎng)越短的光子攜帶的能量更高：E=hv），轉(zhuǎn)換后的一對(duì)光子再作用到晶硅上，這樣電池的內(nèi)量子效率（EQE）得到顯著提高，從而大幅提升轉(zhuǎn)換效率。基于理論模型，該結(jié)構(gòu)的電池能輕松達(dá)到30%以上的轉(zhuǎn)換效率（有國(guó)外機(jī)構(gòu)將這種技術(shù)叫做Singlet Fission）。這是一種聽(tīng)起來(lái)讓人非常向往的技術(shù)，但預(yù)計(jì)這種新技術(shù)從概念到實(shí)驗(yàn)室樣品再到階段驗(yàn)證的周期至少需要6年以上，目前也尚不清楚未來(lái)能否大規(guī)模量產(chǎn)，因此3-4年后大概率是沒(méi)法指望這種技術(shù)來(lái)接班單結(jié)晶硅電池了。

綜上所述，以現(xiàn)階段各種新技術(shù)的發(fā)展進(jìn)度來(lái)看，當(dāng)3-4年后單結(jié)晶硅電池達(dá)到量產(chǎn)效率極限后，能及時(shí)出現(xiàn)有一個(gè)可以平穩(wěn)有序?qū)崿F(xiàn)量產(chǎn)替代的新技術(shù)的難度很大，也可能不排除行業(yè)會(huì)出現(xiàn)2年左右的量產(chǎn)效率停滯的階段性瓶頸期。所以，留給各大機(jī)構(gòu)和企業(yè)研發(fā)人員的任務(wù)還是很重，唯有不斷努力創(chuàng)新，才能確保光伏技術(shù)的長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展。衷心希望更好的新技術(shù)替代能夠早日實(shí)現(xiàn)，讓光伏能夠在不久的將來(lái)真正成為全球能源的中流砥柱。