研究人员概述了串联太阳能电池的前进道路

俗话说，两个脑袋胜过一个脑袋。对于串联工作的太阳能电池来说也是如此。美国能源部国家可再生能源实验室(NREL)的研究人员制定了一份关于如何推动串联太阳能电池(特别是那些融合不同光伏技术的太阳能电池)更接近商业化的路线图。

正如研究人员在《焦耳》杂志上的一篇文章中指出的那样，全球范围内必须增加比目前已安装的1太瓦容量更多的太阳能。由于人口不断增长以及所有能源部门电气化程度的提高，专家预测到2050年世界将需要75太瓦的光伏(PV)。

目前使用的绝大多数太阳能模块都依赖于单个结，该结只能吸收太阳光谱的一小部分，因此其效率受到限制。串联太阳能电池由两个或多个结组成，有可能达到更高的效率。由于串联是相互堆叠的，因此模块所需的总面积会减少，从而提高效率并可能降低总系统成本。

这篇题为“串联光伏路线图”的期刊文章的主要作者KirstinAlberi表示，高效III-V多结太阳能电池已经出现了几十年，但规模较小，主要用于太空应用，例如为卫星供电。

NREL材料科学中心主任Alberi表示，主要制造商和初创公司目前正在开发使用更具可扩展性的光伏技术的新型混合串联模块，“但我们不知道有任何此类模块正在大规模生产和销售”商业上。”

Alberi和她的17名合著者正试图激励研究人员和制造商合作，以期在串联大规模生产方面取得快速进展。

他们详细说明了必须取得的进展：

将太阳能电池的效率提高到创纪录的水平，然后将这些效率转化为模块和大批量制造

识别并解决可靠性和耐用性问题

制定混合串联光伏模块和系统的设计以加快部署。

该路线图重点关注混合串联，其中两种或多种不同的光伏技术相结合以提供最大效率。由于有多种材料可以吸收阳光，因此可以进行多种组合来形成串联。这些材料分为两组：最适合作为顶部电池的材料和最适合作为底部电池的材料。

两个连接点之间的正确匹配可以增加吸收并转化为电能的阳光量。例如，由金属卤化物钙钛矿制成的顶部太阳能电池可以提高单结硅太阳能电池的性能。

“从成本和效率的角度来看，金属卤化物钙钛矿被视为混合串联的最初推动者，”阿尔贝里说。“它们作为顶级电池提供了足够高的效率，并且具有足够的成本效益，使得串联电池比任一技术的单结电池具有更高的效率。”

钙钛矿一词是指晶体结构，而不是指硅等特定元素。对钙钛矿太阳能电池长期稳定性的研究仍在继续，事实证明钙钛矿太阳能电池非常高效。与许多其他太阳能技术相比，钙钛矿的制造也更容易、更便宜。

串联路线图主张考虑其他材料作为顶部电池的潜力。砷化镓(GaAs)和磷化镓铟(GaInP)都是候选材料，因为它们具有最高的单结器件效率。然而，使用它们的主要缺点是制造费用。NREL的研究人员一直在研究更便宜的制造方法。

研究人员表示，底部电池最明显的材料是硅，它在太阳能行业占据主导地位。由顶部金属卤化物钙钛矿电池和底部硅电池组成的串联目前保持着效率记录。

NREL高效晶体光伏小组的科学家、路线图论文的合著者EmilyWarren表示，串联会带来额外的挑战。

“对于单结光伏材料，模块是通过横向串联各个电池制成的，”她说。“对于串联模块，有多种互连电池的选项，这为串联模块的设计提供了另一层复杂性。”

只有三种单结光伏技术已成功扩大到至少十亿瓦的产量。除硅外，由铜铟镓二硒化物(CIGS)和碲化镉(CdTe)制成的太阳能电池也取得了进展。CIGS适用于底部电池，CdTe适用于顶部电池。

研究人员表示，硅与由CIGS和CdTe制成的薄膜电池之间的商业化轨迹的对比，让我们深入了解建立千兆瓦级串联技术必须克服的挑战。硅光伏受益于半导体界的重大投资，带来了共享知识和标准化流程。

然而，专门从事CIGS和CdTe生产的公司在试图在硅光伏领域取得进展时，一直小心翼翼地保护自己的工艺和沉积技术。

该路线图提出了合作努力，例如类似于为促进钙钛矿和CdTe太阳能电池板制造而创建的联盟。路线图文件称，这将使行业和研究人员聚集在一起“讨论共同问题并分享经验教训”。一些联盟已经在研究基于钙钛矿的串联材料。

“事实证明，现有的联盟对于单结光伏技术的开发和商业化非常有帮助，因为它们可以帮助信息共享，倡导有助于整个领域的跨领域研究，并让更多的利益相关者集中精力共同努力解决影响整个领域的问题，”阿尔贝里说。

“我们认为联盟可以在混合串联的开发中发挥类似的作用，特别是因为我们仍处于这项技术商业化阶段的早期。”