（本文編譯自electronicdesign）
近幾十年來，隨著各國政府和行業(yè)為了努力達成低碳排放目標，對可再生能源的投資與研究激增。太陽能電池板，或稱光伏（PV）技術(shù)，已成為解決能源危機的關(guān)鍵力量，并吸引了大量關(guān)注。去年，全球?qū)μ柲茈姵匕寮夹g(shù)的投資超過了對其他所有可再生能源投資的總和。
這一增長的一個關(guān)鍵原因是太陽能資源豐富、可靠且免費。太陽提供了巨大的能量——僅僅90分鐘的陽光就足以滿足全球一整年的能源需求。盡管太陽能電池的基本效率只有約34%，但這仍然能讓我們捕獲高達330瓦/平方米的能量，使其成為一項重要且寶貴的資源。
此外，太陽能電池板的多功能性意味著它們可以：
集成到更大的電網(wǎng)系統(tǒng)中，并與其他可再生能源技術(shù)一起使用。
用于小型獨立系統(tǒng)，為小型電子產(chǎn)品和物聯(lián)網(wǎng)設備供電。
在沒有基于電網(wǎng)的電力系統(tǒng)所需的大規(guī)模基礎設施的地區(qū)，為單個社區(qū)供電。
晶體硅光伏技術(shù)的崛起
目前，太陽能電池板領(lǐng)域主要由晶體硅（c-Si）技術(shù)主導。硅是一種廣為人知且廣泛使用的半導體材料，這主要得益于其豐富的儲量以及吸收可見光的能力。因此，硅是首批實現(xiàn)商業(yè)化開發(fā)的太陽能電池技術(shù)之一。
目前，大量的研究都聚焦于提高硅太陽能電池的效率和改進其制造工藝。
1978年，最高效的晶體硅太陽能電池的效率約為13%。自那時以來，這一效率已經(jīng)翻了一倍多，截至2023年，最高效的晶體硅器件的效率已達到26.1%（使用聚光器時可達27.6%，聚光器是一種由曲面鏡或透鏡組成的系統(tǒng)，可將陽光重定向到太陽能電池上）。晶體硅太陽能電池板的效率正接近其理論最大值，即29.43%（使用聚光器時），而大規(guī)模生產(chǎn)的晶體硅太陽能電池組件的平均效率為15%至23%。
硅太陽能電池堅固耐用，性能可保持數(shù)十年之久，因此成為市場的領(lǐng)導者。在過去幾年里，全球大量投資聚焦于擴大光伏生產(chǎn)規(guī)模，尤其是在中國。因此，硅光伏組件的價格大幅下降，從2014年的每瓦0.80美元降至2023年的每瓦0.37美元。這一降價使得硅光伏更加普及，僅在2023年初，美國就新增了5.7GW的光伏裝機容量。
晶體硅光伏存在的問題
晶體硅太陽能電池面臨的主要挑戰(zhàn)之一是硅本身的固有局限性。雖然硅是一種半導體，但其具有間接帶隙，這意味著它吸收光的效率不如其他材料。為了能夠制造出高效的光伏器件，需要一層厚厚的硅，這使得這些太陽能電池板變得僵硬、笨重且不透明。此外，硅器件必須用乙烯-醋酸乙烯酯（EVA）和玻璃層封裝，這進一步增加了它們的重量和硬度（見圖1）。
圖1：晶體硅（C-Si）太陽能電池板模塊由包含晶體硅薄片的單個太陽能電池組成。這些太陽能電池被封裝在一系列玻璃和乙烯-醋酸乙烯酯（EVA）封裝層中，使其變得堅硬且沒有柔韌性。
有時候，這不是個問題：新建筑在設計時就會考慮集成太陽能電池板，許多建筑都能輕松容納它們。然而，在舊建筑上安裝僵硬且笨重的太陽能電池板卻是一個挑戰(zhàn)。此外，晶體硅太陽能電池板在應用方面受到一定限制；它們無法同時實現(xiàn)輕薄、柔韌、半透明以及高效率。這限制了晶體硅太陽能電池板應用的創(chuàng)造性和廣泛性。
另外，盡管晶體硅太陽能電池板的生產(chǎn)成本已大幅下降，但其生產(chǎn)過程仍然復雜且耗能較高，這就意味著巨大的啟動成本和大量廢棄物的產(chǎn)生。
第三代光伏技術(shù)如何？
除了硅技術(shù)之外，大量研究還聚焦于其他替代太陽能的技術(shù)。第二代光伏技術(shù)，如銅銦鎵硒（CIGS）、碲化鎘（CdTe）和非晶硅（a-Si）等，雖然前景廣闊，但由于生產(chǎn)復雜和材料稀缺都面臨挑戰(zhàn)。在過去15年里，新一代光伏技術(shù)應運而生，旨在突破晶體硅太陽能電池的效率極限、降低生產(chǎn)成本并拓寬太陽能技術(shù)的潛在應用。
第三代光伏技術(shù)利用新型材料，如有機半導體、量子點和鈣鈦礦等，更有效地捕獲太陽能。這些新技術(shù)還提供了更大的多功能性，其應用范圍從柔性太陽能電池板到能夠捕獲全太陽光譜的串聯(lián)結(jié)構(gòu)等。這些創(chuàng)新對于發(fā)現(xiàn)更可持續(xù)和更具創(chuàng)意的太陽能解決方案至關(guān)重要（見圖2）。
圖2：鈣鈦礦晶體在一個晶胞結(jié)構(gòu)中包含三種不同的有機和無機成分（分別標記為A、B和X），圖中顯示了等效的晶體結(jié)構(gòu)。
第三代技術(shù)中最成功的技術(shù)之一是鈣鈦礦太陽能電池（PSC）。鈣鈦礦太陽能電池將有機和無機材料結(jié)合在一種獨特的晶體結(jié)構(gòu)（ABX?）中，通過改變分子組成可以輕松實現(xiàn)定制化。這種可調(diào)性使得設計出與硅相媲美的高效太陽能電池成為可能，2024年其效率記錄已達到26.7%（見圖3）。
圖3：有機太陽能電池通常使用兩層有機材料混合而成的夾層，該夾層位于陽極和陰極連接器之間。
其他類型的第三代光伏技術(shù)包括量子點太陽能電池和染料敏化太陽能電池（DSSC）。量子點太陽能電池使用納米級半導體顆粒在薄膜中吸收光。與此同時，染料敏化太陽能電池則依靠染料來吸收陽光，為太陽能提供了一種低成本且半透明的解決方案。
這些新興技術(shù)的一大優(yōu)勢是它們與R2R（roll-to-roll）制造工藝兼容，如噴墨打印、狹縫涂布或噴涂。在連續(xù)的R2R生產(chǎn)中，能夠在柔性基板上打印或涂覆光伏層，從而實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)并減少浪費。降低制造成本將增加在商業(yè)環(huán)境中采用這些技術(shù)的機會。
與需要高能耗、高溫處理步驟的硅基太陽能電池板不同，一些第三代光伏技術(shù)可以在較低溫度下進行溶液處理。然而，更敏感的材料可能受控于環(huán)境，如手套箱，以防止在制造過程中發(fā)生降解。
第三代光伏技術(shù)的另一個關(guān)鍵優(yōu)勢是，由于其成分可變，因此能夠進行優(yōu)化以比硅更有效地吸收光。這意味著這些材料的薄層仍能實現(xiàn)高效能量轉(zhuǎn)換。因此，這些技術(shù)可用于傳統(tǒng)硅面板不適用的應用場景，例如：
用于窗戶的半透明光伏材料
用于曲面或不規(guī)則表面的柔性太陽能電池板
可在人造光下工作的室內(nèi)光伏材料
這些創(chuàng)新為太陽能在空間和應用中的集成開辟了廣泛的可能性，而以往這些空間和應用受晶體硅（c-Si）面板剛性和厚度所限制。
硅基光伏技術(shù)與第三代光伏技術(shù)
對于一種新興的太陽能電池板技術(shù)來說，想要與硅基技術(shù)競爭，它必須達到或超過硅基技術(shù)的水平。也就是說，它必須：
在將陽光轉(zhuǎn)化為電能方面提供相當或更高的效率。
展現(xiàn)出長期穩(wěn)定性，在10到25年的使用壽命中至少保持90%的性能。
目前，沒有任何一種第三代光伏技術(shù)能夠同時滿足這兩點要求。
大多數(shù)第三代光伏技術(shù)都存在需要克服的穩(wěn)定性問題，才能與晶體硅（c-Si）面板競爭。有機光伏（OPV）、染料敏化太陽能電池（DSSC）、量子點太陽能電池和鈣鈦礦太陽能電池由于水分、氧氣、紫外線和熱量等外部因素會發(fā)生降解，這阻礙了它們成為硅的有力競爭對手。與硅相比，染料敏化太陽能電池和量子點太陽能電池的效率也較低。
鈣鈦礦太陽能電池還存在毒性問題，因為它們使用鉛作為主要成分。目前正在進行尋找鉛替代物的研究，但使用這些替代物的器件效率顯著降低。
然而，通過大量的研究和適當?shù)姆庋b技術(shù)，晶體硅和第三代技術(shù)在太陽能領(lǐng)域肯定都有發(fā)展空間。
第三代光伏技術(shù)能否改進現(xiàn)有太陽能電池板？
第三代光伏技術(shù)的另一個令人興奮的特點是，它們可以串聯(lián)使用，或者與硅串聯(lián)在太陽能電池板中結(jié)合使用，以進一步提高效率（圖4）。通過將鈣鈦礦太陽能電池堆疊在硅太陽能電池之上，所得串聯(lián)太陽能電池板能夠捕獲更寬范圍內(nèi)的太陽光譜，從而提高整體效率。
圖4：串聯(lián)的太陽能電池由兩個不同的太陽能電池堆疊而成。頂部的太陽能電池吸收部分光線，同時允許部分光線穿透，這些穿透的光線隨后被底部的太陽能電池吸收。
截至2024年，鈣鈦礦-硅串聯(lián)太陽能電池的最高報道效率已達到32.5%。這證明了它們增強現(xiàn)有硅基礎設施的潛力。這些混合系統(tǒng)為提升當前光伏裝置的性能提供了一條令人興奮的路徑,完全無需采用全新的技術(shù)。
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