打破串联太阳能电池的效率记录

牛津光伏公司的首席技术官克里斯·凯斯坚信，如果我们有机会拯救这个星球，到2050年，太阳能需要占全球能源结构的50%。凯斯说，除了太阳能之外，没有真正合乎逻辑的理由去扩大能源基础设施。没有比这更好的能源了。”

看看能源业就会发现，持这种观点的并非只有他一个人。太阳能是增长最快的欧盟的能源来源——在2021年夏天，太阳能电池板产生了创纪录的10%的欧盟电力。然而，这远远没有达到50%。

太阳能获得更大市场份额的最大障碍在于提高电池板的效率(入射太阳能可以转化为电能的比例)。单结电池效率的基本上限是Shockley-Queisser限制-硅基电池大约30%。而一些研究人员和企业家已经看为了解决这个问题，其他人已经转向了多个连接。

这就是从英国牛津大学(University of Oxford)分拆出来的Oxford PV所采用的方法。它的串联电池在硅的顶部有一层钙钛矿材料的涂层。钙钛矿可以吸收更多的短波长蓝绿光，而硅则吸收波长更长、更红的光。

该公司已经创造了太阳能电池效率的新记录。2020年，牛津光伏公司展示了其电池可以将29.52%的太阳能转化为电能。商用硅板徘徊在15-20%，最高转化率约26%。

凯斯认为，在这样的效率水平上，钙钛矿串联电池打开了向太阳能快速过渡的大门。他说:“随着效率的提高，能源成本也降低了，这使我们能够更快地采用某些方法，从而进一步降低成本。”“我们越快采用太阳能，我们就越有机会遏制气候变化。”

Oxford PV于2010年由物理学家Henry Snaith和高科技公司的连续企业家Kevin Arthur从牛津大学分离出来。凯斯于2014年受雇将该产品商业化，最初用于建筑集成光伏应用，后来重点转向串联太阳能电池。

这种电池的商业生产将于2021年在牛津光伏公司位于德国的工业基地开始，德国是欧洲最大的太阳能市场。在由于Covid-19和相关供应链问题而推迟后，现在已准备在今年晚些时候启动。这将是世界上第一条钙钛矿硅串联太阳能电池的批量生产线。

这家年产能100兆瓦的工厂将首先为住宅客户提供服务，然后再扩展到商业客户，最终扩展到对价格高度敏感的公用事业部门。

虽然家庭已经可以以具有竞争力的价格获得效率超过20%的硅太阳能电池板，而且硅电池技术也在不断改进，但凯斯坚持认为，如果太阳能要发挥其潜力，就必须超越硅。

硅是一种间接带隙半导体，因此在光子和电子之间的转移中总是会损失一些能量。硅也需要精心提纯，提取和加工成高质量的太阳能电池是一个资源密集型的过程。凯斯说:“制造100万瓦太阳能电池需要7吨硅，但同样的结果只需要35公斤钙钛矿。”

牛津光伏公司认为，生产钙钛矿电池所涉及的较低的环境足迹在一定程度上抵消了材料尚未解决的问题。其中最突出的是含有铅。替代品，如锡，已经被尝试和测试，但电池的性能下降很快。

对牛津光伏串联电池的生命周期分析表明，如果电池中含有的少量铅逸出，对环境的毒性不会有太大影响。对于工人可能接触的铅含量有严格的职业接触限制，但欧盟立法允许在太阳能电池中使用铅。凯斯说:“这并不意味着在长期内减少或消除铅是不可取的。”牛津光伏公司正试图逐步淘汰用于连接太阳能电池板中的电线和连接器的铅。

总的来说，牛津光伏公司声称用钙钛矿材料生产电池是可持续的。该公司去年发表的一份分析报告显示，有足够的原材料可用于制造钙钛矿太阳能电池，这些电池在最高效率下可产生超过30太瓦的电力。这足以满足从现在到2050年的所有太阳能发电能力。

该公司计划到2024年将目前的100兆瓦/年产能工厂扩大到2千兆瓦/年，并在那之后每两年建造额外的工厂。凯斯说，到2020年，牛津光伏公司将至少生产100亿瓦/年的高效太阳能电池。“对高效太阳能产品的需求是巨大的，而且这种产品在商业上没有可行的替代品。你可以想生产多少硅就生产多少硅，但如果没有某种多结方法，就无法生产出更高效的太阳能电池。”