2030年實現(xiàn)全球10TW的光伏目標 太陽能電池需要哪些突破？

清潔能源成為了未來發(fā)展的大趨勢，太陽能電池便是其中之一，但是其轉(zhuǎn)換效率一直是難以解決的問題?，F(xiàn)在，研究人員發(fā)現(xiàn)了影響其轉(zhuǎn)換效率的主要原因，通過改善將大大提高電池的使用壽命，這將為我們保護環(huán)境做出重要的貢獻，讓我們一起來領(lǐng)略一下“領(lǐng)導者”硅的風光吧！

隨著低碳能源成為未來世界發(fā)展的大趨勢，在本世紀中葉，大規(guī)模太陽能發(fā)電成為減緩氣候變化的重要措施。氣候科學家認為到2030年，全球?qū)⑿枰^10萬億瓦（TW）的太陽能發(fā)電量，這絕不少于當前發(fā)電量的50倍。在麻省理工光伏研究實驗室（PVLab），團隊正致力于探索新技術(shù)，并幫助實現(xiàn)這一目標。“我們的工作是通過技術(shù)創(chuàng)新找到經(jīng)濟和環(huán)境可持續(xù)的方式使太陽能發(fā)電量達到10TW以上?！睓C械工程和實驗室主任的副教授TonioBuonassisi說。

這是一項巨大的挑戰(zhàn)。首先，他們計算到2030年實現(xiàn)10TW太陽能發(fā)電量所需的增長率，以及在沒有補貼幫助的情況下能夠?qū)崿F(xiàn)增長的最低價格，當前的技術(shù)顯然不能完成任務(wù)。Buonassisi說“這需要1萬億美元到4萬億美元的額外債務(wù)，這只是將現(xiàn)有技術(shù)推向市場來完成這項工作，這很難。那么，是否有其他什么方法呢？

使用結(jié)合技術(shù)和經(jīng)濟變量的模型，研究人員確定需要三個變化一是將模塊的成本降低50％，二是將模塊的轉(zhuǎn)換效率（即太陽能轉(zhuǎn)換為電能的百分數(shù)）增加50％，三是將新建工廠的成本減少70%。這三項變化需要盡快在五年內(nèi)完成，將需要近期政策來激勵部署，并大力推動技術(shù)創(chuàng)新以降低成本，使政府支持可以隨著時間的推移而減少。

在效率上邁進

在MITPVLab和世界各地，太陽能的轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)取得了重大進展。一種特別有前景的技術(shù)是鈍化發(fā)射區(qū)背面電池（PERC），其基于低成本晶體硅，但具有比常規(guī)硅電池捕獲更多太陽能量的特殊“結(jié)構(gòu)”。雖然成本必須降低，但該技術(shù)有望使效率提高7％，許多專家預測其能被廣泛采用。

但是仍有一個問題需要解決。在現(xiàn)場測試中，一些包含PERC電池的模塊在太陽光下降解，轉(zhuǎn)換效率在前三個月下降了10％。機械工程博士AshleyMorishige表示“這些模塊被認為可以持續(xù)25年，然而在短短幾周到幾個月內(nèi)，它們的發(fā)電量下降到原設(shè)計的90％。這種情況令人非常困惑，因為制造商在發(fā)布產(chǎn)品之前已經(jīng)完全測試其產(chǎn)品的效率。此外，并不是所有的模塊都會出現(xiàn)問題，也并不是所有的公司都會遇到這個問題。有趣的是，花費了幾年時間，公司之間才相互意識到其他公司也存在同樣的問題。制造商想出了各種方案來處理它，但其確切原因仍然未知，人們擔心它可能會在某一時刻重現(xiàn)，這可能影響下一代電池的架構(gòu)。

對于Buonassisi而言，這似乎是一個機會。他的實驗室一般側(cè)重于晶片和電池材料的基礎(chǔ)研究，但研究人員同樣可以將他們的設(shè)備和專業(yè)知識應(yīng)用于模塊和系統(tǒng)。通過定義問題，他們可以支持采用這種高能效技術(shù)，幫助降低每瓦電力電量消耗的材料和勞動力成本。

MIT團隊與工業(yè)太陽能電池制造商密切合作，進行了“根本性原因分析”以探尋問題的根源。該公司已經(jīng)幫助他們分析PERC模塊的意外退化，并報告了一些異常的趨勢。在測試中，閉合回路內(nèi)的PERC模塊在陽光下放置60天后，將不再擁有明顯優(yōu)于傳統(tǒng)太陽能電池的高效率；同樣的存儲條件，開路中模塊的效率則會發(fā)生更明顯的下降。此外，由不同硅錠制成的模塊顯示出不同的功率損耗行為，在960℃峰值溫度下制造的電池模塊，其效率的降低明顯快于860℃下燒制的電池。

亞原子不當行為

想要解釋缺陷如何影響轉(zhuǎn)換效率，需要先了解太陽能電池如何在基本水平工作。在光敏材料中，電子可以處于兩個不同的能級處在價帶的電子被束縛；而處在導帶的電子則可以自由運動。當光照射到材料上時，電子可吸收足夠的能量從價帶躍遷到導帶，留下稱為空穴的空位。像這樣躍遷的電子，在失去該額外能量并回落到價帶之前，將在導帶上運動從而產(chǎn)生電流。

通常，電子或空穴必須增加或失去一定能量才能在能級之間躍遷。雖然空穴被定義為電子缺陷，但是物理學家將電子和空穴都視為半導體內(nèi)的載流子。硅中的金屬化或結(jié)構(gòu)缺陷在禁帶中引入缺陷能級，電子和空穴躍遷到中間能級，使得電子躍遷實現(xiàn)了較少的能量增益或損耗。如果電子和空穴都移動，會發(fā)生電子-空穴復合，此時，開路電壓會有明顯下降。

PVLab研究人員用電子與空穴復合之前保持在激發(fā)態(tài)的平均時間來量化該行為。壽命嚴重影響太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率，它對缺陷的存在非常敏感，Buonassisi說。

為了測量壽命，Morishige和機械工程研究生MalloryJensen領(lǐng)導的團隊使用光譜學的方法將光照在樣品上或加熱樣品，并在期間和之后即時監(jiān)測導電性。電流上升時，電子受外部能量激發(fā)躍入導帶；電流下降時，它們失去能量并落入價帶。隨時間的電導率變化反映出樣品中電子的平均壽命。

定位和缺陷表征

為了解決PERC太陽能電池的性能問題，研究人員需要弄清楚模塊中的主要缺陷所在，包括硅表面、鋁背襯和材料之間的各種界面。但麻省理工學院團隊認為缺陷最有可能存在于硅片本身。

為了驗證這個假設(shè)，他們使用了在750℃和950℃下制造的太陽能電池來驗證這個假設(shè)，并且設(shè)定了光照和暗室兩種保存環(huán)境。之后，用化學方法去除電池的頂層和底層，僅留下硅晶片，然后進行電子壽命的測試。低溫時，在兩種保存環(huán)境中的樣品壽命大致相同；高溫時，光照保存的樣品壽命顯著低于暗室中的樣品。

這些發(fā)現(xiàn)證實了效率退化主要歸因于硅中的缺陷，這些缺陷會影響電池中的電子壽命，從而使效率顯著下降。在后續(xù)的測試中，研究人員發(fā)現(xiàn)，樣品在200℃下再加熱降解一個小時，可以使壽命恢復，但在重新暴露于光下時依然會發(fā)生回落。

那么這些缺陷是如何干擾轉(zhuǎn)換效率，以及在它們的形成中可能涉及什么類型的污染物呢？缺陷的兩個特點將有助于研究人員回答這些問題。首先是缺陷能級處于價帶和導帶之間；第二是“捕獲截面”——特定位置處的缺陷可捕獲電子和空穴（電子的體積可能與缺陷的體積不同）。

雖然這些特性不易直接在樣品中測量，但是研究人員可以根據(jù)經(jīng)驗方程，利用不同照射強度和測試溫度下的壽命來推斷它們。使用在950℃下燒制后暴露于光的樣品，在不同的測試條件下進行壽命光譜實驗。用這些數(shù)據(jù)計算能量水平和導致電子空穴復合的主要捕獲截面。通過查閱文獻以了解哪些元素已被發(fā)現(xiàn)具有這些特性，從而列舉出導致樣品轉(zhuǎn)換效率下降的優(yōu)先候選。

Morishige團隊已經(jīng)極力縮小了名單范圍。“至少有一個與我們觀察到的大部分一致?！彼f。在這種情況下，在制造中會導致金屬污染物在硅的晶格中造成缺陷，氫原子與金屬原子結(jié)合，使其保持電中性，因此不能用作電子空穴復合的位點。但在特殊條件下，特別是當電子密度高時，氫原子從金屬離解，使得缺陷變得極富復合活性。

這種解釋符合公司關(guān)于其模塊的初步報告。在較高溫度下燒制的電池將更易于受到光的誘導而損壞，因為它們中的硅通常包含更多的雜質(zhì)和更少的氫，并且它們的性能各不相同，因為不同批次的硅包含不同濃度的污染物以及氫。正如研究人員發(fā)現(xiàn)的那樣，在200℃下烘烤硅晶片，可能導致氫原子與金屬重新結(jié)合產(chǎn)生惰性的缺陷。

基于這種假設(shè)的機制，研究人員為制造商提供了兩個建議。首先，嘗試調(diào)整制造工藝，使得它們可以在較低溫度下進行燒制步驟；第二，確保他們的硅晶片中那些被列入“嫌疑名單”的金屬的濃度降至最低。

意外的結(jié)果

PERC技術(shù)的高效性來源于有效捕獲太陽能的特殊結(jié)構(gòu)，這揭示了制造材料固有的問題。“細胞人做了一切正確的事，”他說，“如果問題的關(guān)鍵在于硅晶片中與缺陷相互作用的激發(fā)電子密度過高，那么找到解決它的有效策略將變得尤為重要，因為下一代器件設(shè)計和晶片減薄將帶來更高的電子密度。

這項工作需要各個領(lǐng)域?qū)＜抑g的合作，他主張所有參與者，包括私人公司和研究機構(gòu)以及各個領(lǐng)域的專家，從原料到晶圓、電池和模塊，再到系統(tǒng)集成和模塊安裝進行溝通?！拔覀兊膶嶒炇艺诓扇∫幌盗写胧?，將利益相關(guān)團體聚集在一起，共同創(chuàng)建一個新的研發(fā)平臺。期望這能使我們更快地解決技術(shù)挑戰(zhàn)，并幫助達成2030年實現(xiàn)10TW光伏的目標?！盉uonassisi如是說。

這項研究由國家科學基金會、美國能源部和新加坡國家研究基金會通過新加坡麻省理工學院研究和技術(shù)聯(lián)盟資助。