日本科学家研发效率超26%的太阳能电池 逼近理论极限

近日，由日本政府项目资助的研究团队开发出了“可工业化应用”的太阳能电池。如今的太阳能电池板已经比以往便宜许多，但对于家庭用户来说，安装费用仍然不菲。更有效率的太阳能电池板可以更快地补偿安装成本，因此研究能将太阳能更快转化为电能的方法成为太阳能利用领域的焦点。

组成太阳能电池板的硅基电池存在一个理论效率极限：29%。不过，这是一个目前还难以达到的目标。对于商业化的太阳能电池板而言，稍低于20%的实际转化效率被认为已经非常好了。近日，日本化学企业Kaneka集团的研究人员开发出了一种光能转化率达到26.3%的太阳能电池，打破了之前25.6%的记录。尽管只是2.7%的效率提升，但在可商业应用的太阳能电池领域，这样的技术改进越来越来之不易。

不仅如此，研究人员还指出，在将论文提交给《自然-能源》（Nature Energy）杂志之后，他们又对太阳能电池进行了优化，达到了26.6%的转化效率。这一结果已经得到美国国家可再生能源实验室（National Renewable Energy Lab，NREL）的认可。

在发表于《自然-能源》的论文中，研究者描述了一块180.4平方厘米的电池制造过程。他们采用了高质量的半导体异质结构薄膜，将硅分层堆积在电池内，使电子态无法存在的能隙减小至最低。

控制半导体异质结构在太阳能电池制造商中是一项已知的技术。松下电器公司也采用了这项技术，并很可能将其应用到为特斯拉汽车供应的电池中。Kaneka集团拥有自己的半导体异质结构专利技术。

为了使太阳能电池达到这一破纪录的效率，Kaneka集团的研究人员还在电池后部放置了低电阻电极，使电池内部能最大化地收集前方的光子。而且，与许多常见的太阳能电池一样，这款电池的表面还覆盖了一层无定形硅和抗反射层，可以为电池部件提供保护，并更有效率地收集光子。

在描述了太阳能电池的构造之后，研究人员还分析了电池无法达到理想效率值29%的原因，为未来电池开发者的优化提供参考。他们估计，总体效率中有0.5%的损失是电阻造成的，1%则是由于光学损失（电池接受光照的方式），还有1.2%源于偶然的电子结合损失——自由电子与带正电的孔洞结合，而不是继续向前形成电流。

该论文指出，这款太阳能电池是利用“可工业化应用”过程制造出来的，比如电浆增强化学气相沉积（plasma-enhanced chemical vapor deposition，PECVD）技术——在气态下将薄膜沉积在固体晶圆上。

研究者表示，在单个电池可以被组装到商业应用的太阳能电池板上之前，还需要更进一步的工作。Kaneka集团的研究获得了日本新能源产业技术综合开发机构（New Energy and Industrial Technology Development Organization，NEDO）的资助，而且据《IEEE综览》（IEEE Spectrum）杂志的报道，Kaneka公司将继续与NEDO合作，争取在2030年之前将太阳能电池的成本降低到每千瓦时0.06美元。