曾幾何時，“太陽能光伏”給我們帶來了對更高的發(fā)電效率和更好的環(huán)保性能的憧憬。然而，近年來光伏發(fā)電并網(wǎng)難題、光伏產(chǎn)業(yè)產(chǎn)能過剩、太陽能產(chǎn)品價格走低、國際貿(mào)易糾紛四起等等因素，讓這個產(chǎn)業(yè)前景黯淡。也許，只有技術(shù)的革新才是這個產(chǎn)業(yè)發(fā)展的堅(jiān)實(shí)依靠。

新型可彎曲可嵌入太陽能電池

近日，美國硅谷的阿爾塔設(shè)備公司(Alta Devices)推出了一種新型的可彎曲可嵌入式太陽能電池，且這種電池的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到驚人的29%。這種基于砷化鎵材料以及獨(dú)特的生產(chǎn)工藝技術(shù)的新型太陽能電池或?qū)⒁l(fā)太陽能產(chǎn)業(yè)和新能源產(chǎn)業(yè)的變革。

阿爾塔設(shè)備公司CEO克里斯·諾里斯表示：“我們主要在三個方面實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)新。一個是高效的生產(chǎn)工藝、一個是砷化鎵晶片技術(shù)、一個是高效的轉(zhuǎn)換率。”他同時介紹到，首先在一個臨時的模板晶片上使用金屬有機(jī)氣相沉積工藝生產(chǎn)薄膜，然后將薄膜分離，并再次使用這個模板晶片，由此得到了極薄并可彎曲的薄膜，它可以做成任何形狀。

這種平板式傳統(tǒng)單藕合薄膜太陽能電池具有較其他工藝生產(chǎn)的電池更高的轉(zhuǎn)換效率。而多重藕合薄膜太陽能電池則含有多個層面，可吸收多種頻率，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的轉(zhuǎn)換效率。據(jù)了解，在目前采用的太陽能電池技術(shù)中，多數(shù)基于多晶硅或者單晶硅材料，其轉(zhuǎn)換效率最多可達(dá)到18%左右。

基于此，該公司表示其已規(guī)劃明年推出雙重藕合薄膜太陽能電池產(chǎn)品，轉(zhuǎn)換效率將提高到33%，而其未來3年的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換效率達(dá)到37%的太陽能電池。

此外，加州大學(xué)伯克利分校電氣工程教授，同時也是阿爾塔設(shè)備公司的聯(lián)合創(chuàng)始人艾利·亞布隆諾維奇的研究小組發(fā)現(xiàn)，多年來大家研究的太陽能電池都是盡可能收集光子來產(chǎn)生電能，但實(shí)際上，可以用相反的方法。他們認(rèn)為太陽能電池散發(fā)光子的效果越好，電壓就越高，也可以產(chǎn)生更大的效率。

太陽能電池產(chǎn)生電力，是因?yàn)閬碜蕴柕墓庾幼矒綦姵貎?nèi)的半導(dǎo)體材料，光子的能量使材料中的電子自由流動。但是，這個過程中，撞擊釋放電子也可以產(chǎn)生新的光子，這個過程稱為發(fā)冷光。阿爾塔設(shè)備公司采用了這一理念，其新型的太陽能電池中的光子不會消失在電池內(nèi)，并且增加了太陽能電池產(chǎn)生的電壓。

據(jù)了解，這種新型電池的厚度僅有1微米，相比之下，人的頭發(fā)直徑大約為40微米。同時，可彎曲的特性可以激發(fā)更多應(yīng)用?？死锼?middot;諾里斯說：“人類100多年來最偉大的發(fā)明就是移動性大大提升，飛機(jī)、汽車、輪船讓移動更方便，但是能源的消耗也更嚴(yán)重，傳統(tǒng)太陽能電池笨重脆弱很難實(shí)現(xiàn)便攜，而我們的電池則可以輕松實(shí)現(xiàn)便攜和嵌入應(yīng)用。”

旋轉(zhuǎn)太陽能電池效率高出20倍

近日，美國V3太陽能公司在傳統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一種“旋轉(zhuǎn)太陽能電池”，其比現(xiàn)有太陽能電池發(fā)電效率高出近20倍。

據(jù)了解，這種“旋轉(zhuǎn)太陽能電池”雖然其發(fā)電單元依然是傳統(tǒng)太陽能電池板，但與眾不同的是，它有一個獨(dú)特的錐形支架。在使用時，支架會進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，且無須任何用來追尋太陽移動軌跡的軟件或硬件。

當(dāng)然，還有一點(diǎn)也是很重要的，那就是這種電池的外形真的很酷。

到目前為止，幾乎所有的太陽能電池組都是由平板太陽能電池所組成的。為了提高其發(fā)電效率，研究者一方面將太陽能電池板安裝在可以追尋太陽移動軌跡的支架上，另一方面，則通過加裝透鏡或反射鏡讓更多的光線照射在太陽能電池板上。不過，這兩種方法常常會導(dǎo)致電池板因被暴曬而溫度過高，嚴(yán)重時電池甚至?xí)粺龤А?br />
為了防止這種現(xiàn)象發(fā)生，V3太陽能公司的工程師將電池板安裝在一個可以旋轉(zhuǎn)的錐形支架上。這樣，每塊電池板被照射的時間相對較短，溫度不會上升至將其毀壞的程度，并且當(dāng)錐形架轉(zhuǎn)動時，未被陽光直射的電池板還可以自行冷卻。而用于驅(qū)動錐形支架旋轉(zhuǎn)的電力，則來自于附著在其上的太陽能電池板。

業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為，這種新型太陽能電池是集工程科技和藝術(shù)于一體的奇跡，既有遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)平板太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率，又有令人著迷的外觀。

不過，價格或許是該電池唯一的缺憾。雖然該公司沒有透露具體的金額，但可以肯定，它會比傳統(tǒng)太陽能電池板昂貴許多。所以，現(xiàn)在的問題是，其20倍的光電轉(zhuǎn)化效率能否抵消其造價。

氧化鋁創(chuàng)溶液

處理太陽能電池轉(zhuǎn)化新紀(jì)錄

據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)報(bào)道，由英國牛津大學(xué)科學(xué)家?guī)ьI(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)，以違反直覺的方式，用低光敏性的氧化鋁（Al2O3）替代光激發(fā)能力良好的二氧化鈦（TiO2）作為電極，將溶液可處理的太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率提升至10.9%，創(chuàng)造了新的紀(jì)錄。

這項(xiàng)研究利用了氧化鋁能夠充當(dāng)惰性支架，迫使電子停留其中，并通過超薄的吸收體層進(jìn)行傳送的性能。

研究人員表示，雖然含有砷化鎵的太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到28%左右，但此次在溶液可處理的固態(tài)太陽能電池領(lǐng)域，取得了新的成績。同時，這一轉(zhuǎn)化率還有望在未來數(shù)年內(nèi)急速提升。

據(jù)了解，在吸收光子并生成電子的光電過程中，基本的能量損失會逐步上升。為了克服這些損失，此前的研究試圖將厚度為2納米至10納米的鍍鋅層，附加到二氧化鈦電極的內(nèi)表面，以增強(qiáng)電流密度和電壓。

而之前帶有鍍鋅層的太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率僅為6.3%，科學(xué)家分析這很可能與二氧化鈦導(dǎo)致的電子混亂和低遷移率有關(guān)。因此他們在此次的研究中改用氧化鋁作為電極，其所生成的光激電子能被保留在鍍鋅層內(nèi)，而不會降低氧化物內(nèi)的能級水平。

同時，使用氧化鋁電極還具有多種優(yōu)勢，例如它能顯著提升電子的傳送速度，迫使電子快速穿過鈣鈦礦鍍鋅層，并同時提高電壓。這一改進(jìn)也能使太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率從8%左右提升至10.9%。因?yàn)檠趸X充當(dāng)了中尺度的支架，而不在光致激發(fā)中發(fā)揮任何作用。

科研人員表示，這項(xiàng)工作使低成本的溶液處理太陽能電池離晶體半導(dǎo)體的完美性能又近了一步，也為今后的研發(fā)開辟了廣泛的可能性。他們還期望通過使用新型的鈣鈦礦和其他半導(dǎo)體，或是擴(kuò)展光的吸收范圍等途徑，使電池未來的效率能夠得到進(jìn)一步提升。

　　二氧化鈦光催化材料

　　實(shí)現(xiàn)全譜吸收

近日，中科院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家（聯(lián)合）實(shí)驗(yàn)室提出，利用間隙原子弱化金屬原子與氧（M-O）的鍵合實(shí)現(xiàn)替代晶格氧的摻雜原子進(jìn)入體相的新機(jī)制，獲得了梯度摻雜的銳鈦礦TiO2，實(shí)現(xiàn)了可見光全譜強(qiáng)吸收，將TiO2光電解水產(chǎn)氫的活性光響應(yīng)范圍拓展至700納米。

就像光催化分解水制氫一樣，光催化可實(shí)現(xiàn)太陽能到化學(xué)能的轉(zhuǎn)化，是獲得新能源的一個重要途徑。發(fā)展可以有效吸收可見光（波長在400-700納米之間）的光催化材料是實(shí)現(xiàn)高效太陽能光催化轉(zhuǎn)化的前提，然而多數(shù)穩(wěn)定的光催化材料的可見光吸收低。摻雜能夠縮小光催化材料的帶隙，是增加光催化材料可見光吸收的基本手段。銳鈦礦TiO2是研究最為廣泛的光催化材料，目前利用摻雜手段在一定程度上增加了該材料的可見光吸收，但仍無法實(shí)現(xiàn)全譜強(qiáng)吸收。

該實(shí)驗(yàn)室一直致力于解決寬帶隙光催化材料的可見光全譜強(qiáng)吸收的難題。前期的系列研究揭示，摻雜原子的空間分布是決定摻雜能否縮小帶隙的本質(zhì)因素，即表面摻雜只能在帶隙中引入局域化能級，體相摻雜可縮小帶隙。同時，提出利用層狀結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)摻雜原子在體相的均相分布的思路，增加光催化材料的可見光吸收。

據(jù)了解，摻雜陰離子難以進(jìn)入金屬氧化物體相本質(zhì)上是由M-O鍵的高鍵能以及摻雜離子與替代晶格離子間的電荷差異造成的。研究人員通過先期發(fā)展的“摻雜劑與前軀體合而為一”的特色制備思路，以TiB2晶體為前驅(qū)體，通過水熱及后續(xù)的熱處理過程獲得了間隙硼摻雜的銳鈦礦TiO2微米球，并且硼在從球表面至體相厚約50納米的范圍內(nèi)呈現(xiàn)梯度分布。理論研究表明，間隙Bσ+（σ ≤ 3）離子可有效弱化周圍的Ti-O鍵，使得N替代弱化后的Ti-O鍵的晶格氧所需的能量顯著降低，且間隙Bσ+的存在提高了N摻雜TiO2的穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在氨氣氣氛下熱處理梯度間隙Bσ+摻雜的銳鈦礦TiO2，不僅N3-可有效替代晶格氧，而且N3-的空間分布與間隙Bσ+保持一致，呈現(xiàn)類似的梯度分布，表明間隙Bσ+對N摻雜的空間分布起到了關(guān)鍵的導(dǎo)向作用。其根源在于Bσ+對周圍的Ti-O鍵的弱化，使得N3-選擇性替代體相中被弱化的Ti-O鍵中的氧。同時，間隙Bσ+貢獻(xiàn)出的額外電子可有效補(bǔ)償N3-與O2-之間的電荷差異。

研究獲得的B/N梯度共摻雜銳鈦礦TiO2材料呈現(xiàn)出獨(dú)特的紅色，在可見光全譜范圍內(nèi)具有高的吸光率。光催化性能研究表明，此材料的光電解水產(chǎn)氫活性響應(yīng)范圍接近700納米。該結(jié)果預(yù)示有可能利用TiO2基光催化材料來實(shí)現(xiàn)高效可見光分解水制氫。

該工作為如何基于摻雜實(shí)現(xiàn)寬帶隙光催化材料的可見光吸收提供了一種新思路，可用于發(fā)展高性能可見光光催化材料。據(jù)了解，該工作已得到了中國國家自然科學(xué)基金委重大研究項(xiàng)目、科技部973項(xiàng)目和中科院“太陽能行動計(jì)劃”的資助。