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隨著石油和煤炭等化石能源的消耗，能源危機(jī)和環(huán)境污染等問題日漸突出，清潔無污染的新能源的開發(fā)也變得越來越重要了。比如說，風(fēng)能、潮汐能、氫能和太陽能等。太陽能電池作為直接將光能轉(zhuǎn)化為電能的重要設(shè)備，正受到廣大科研工作者的廣泛關(guān)注與研究，而且太陽能電池也早已實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。

太陽能電池，稱為“太陽能芯片”或“光電池”，我們通常俗稱“光伏板”或“太陽能板”，是一種通過光電效應(yīng)或者光化學(xué)反應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。下面我們就來看一看太陽能電池發(fā)展歷程的昨天、今天與明天。

1839年, 法國物理學(xué)家Becquerel發(fā)現(xiàn)了光生伏特效應(yīng)。1873年，英國工程師Willoughby Smith在測試水下電纜電阻時，在硒中發(fā)現(xiàn)了光電導(dǎo)效應(yīng)。到了1883年，美國發(fā)明家Fritts首次把一層無定形的硒放在金屬片上，并用透明的金薄膜覆蓋在硒上，做出了第一個太陽能電池。他報告說，這種硒陣列在陽光下產(chǎn)生的電流“是連續(xù)的、恒定的且相當(dāng)大的”。當(dāng)時還沒有量子理論可以對光伏效應(yīng)進(jìn)行解釋，人們對他提出的將陽光轉(zhuǎn)化為電能的說法持懷疑態(tài)度。于是他寄了一個樣品給德國的物理學(xué)家Siemens，他是當(dāng)時最受尊敬的電力專家之一。Siemens的檢測結(jié)果證實了弗里茨的說法。但轉(zhuǎn)換成電能的效率低于 1%，并沒有實際的應(yīng)用價值。之后，關(guān)于光伏效應(yīng)的研究又持續(xù)了幾十年，但是沒有什么標(biāo)志性成果出現(xiàn)。

一直到1940年，太陽能電池的研究才出現(xiàn)了新的希望。貝爾實驗室的半導(dǎo)體研究員Ohl發(fā)現(xiàn)他所研究的硅樣品上有一條裂痕。他注意到，當(dāng)這個有裂痕的硅樣品暴露在陽光下時，會產(chǎn)生電流。實際上，這是他不經(jīng)意間制造了一個p-n結(jié)，這是硅太陽能電池的基礎(chǔ)。Ohl隨后將他制備出的大約有1%效率的太陽能電池申請了專利。 但是，真正實用的太陽能電池是又過了14年才出現(xiàn)。1953年，貝爾實驗室的工程師Daryl Chapin嘗試發(fā)展新電源以解決偏遠(yuǎn)潮濕地區(qū)電話系統(tǒng)里干電池電力消失過快的問題，他認(rèn)為太陽能是有希望的能源。與物理學(xué)家朋友Pearson、化學(xué)家Fuller共同努力之下，制備出了效率達(dá)6%的硅太陽能電池，并在1954年4月25日在美國新澤西州聯(lián)名宣布了這項研究成果。從此，太陽能電池進(jìn)入了應(yīng)用時代，并且4年之后，也就是1958年，先鋒1號作為第一個裝備了太陽能電池的人造衛(wèi)星發(fā)射升空。
太陽能電池在人造衛(wèi)星上的應(yīng)用

目前，太陽能技術(shù)發(fā)展大致為三個階段：第一代太陽能電池主要指單晶硅和多晶硅太陽能電池，其在實驗室的光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)分別達(dá)到25%和20.4%；第二代太陽能電池主要包括非晶硅薄膜電池和多晶硅薄膜電池；第三代太陽能電池主要指具有高轉(zhuǎn)換效率的一些新概念電池, 如染料敏化電池、量子點電池以及有機(jī)太陽能電池、鈣鈦礦型太陽能電池等。

單晶硅和多晶硅太陽能電池目前仍是主流

然而，太陽能電池已經(jīng)存在了60多年，但是商業(yè)硅還幾乎沒有勉強(qiáng)進(jìn)入25%的范圍，最大限度地達(dá)到了理論上的30%。為了滿足世界快速增長的能源需求，實現(xiàn)有助于減緩氣候變化影響的去碳化目標(biāo)，實際上需要數(shù)百年時間才能建造和安裝足夠的硅光伏電池板。顯然，這是太慢了，我們的目的是不可行，因為我們只有10年的時間采取行動，以避免不可逆轉(zhuǎn)和災(zāi)難性的氣候變化。多年來，科學(xué)家們一直在試驗替代晶體結(jié)構(gòu)，這些新型結(jié)構(gòu)可以讓類似尺寸的面板捕捉更多的能量，這也就是全球科學(xué)家正在全力攻關(guān)的第三代太陽能電池。

其中，鈣鈦礦型太陽能電池（perovskite solar cells）是第三代太陽能電池里面的佼佼者，它是利用鈣鈦礦型的有機(jī)金屬鹵化物半導(dǎo)體作為吸光材料的太陽能電池。鈣鈦礦作為一種人工合成材料，迄今為止已被證明是最有前途的，現(xiàn)在已經(jīng)成功打破了玻璃天花板的效率。鈣鈦礦是以俄羅斯地質(zhì)學(xué)家Leo Perovsky命名的晶體家族。它們具有一組特性，使它們成為太陽能電池的潛在組成部分：高超導(dǎo)性、磁阻和鐵電。鈣鈦礦薄膜光伏電池板可以吸收來自更廣泛波長的光，從相同的太陽強(qiáng)度產(chǎn)生更多的電能。

鈣鈦礦在 2009 年首次被嘗試應(yīng)用于光伏發(fā)電領(lǐng)域后，因為性能優(yōu)異、成本低廉、商業(yè)價值巨大，從此大放異彩。近年，全球頂尖科研機(jī)構(gòu)和大型跨國公司，如牛津大學(xué)、瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院、日本松下、夏普、東芝等都投入了大量人力物力，力爭早日實現(xiàn)量產(chǎn)。

2012年，科學(xué)家們終于成功制造出薄膜鈣鈦礦太陽能電池，效率超過10%。但從那時起，新型鈣鈦礦電池設(shè)計的效率突飛猛進(jìn)：2017 年 2月，中國企業(yè)以 15.2%的轉(zhuǎn)換效率，首次打破此前長期由日本保持的鈣鈦礦小組件的世界效率紀(jì)錄。此后，分別在當(dāng)年 5 月和 12 月，以 16%和 17.4%的轉(zhuǎn)換效率實現(xiàn)了一年三破世界紀(jì)錄的佳績。2018年12月，牛津大學(xué)實驗室的實驗效率達(dá)到了28%，再一次刷新了鈣鈦礦太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率紀(jì)錄。

而最近，美國能源部最大的科學(xué)和能源實驗室橡樹嶺國家實驗室（簡稱ORNL）宣布發(fā)現(xiàn)新型熱載體鈣鈦礦太陽能電池，其轉(zhuǎn)換效率可接近夢幻的66%。根據(jù)ORNL的說法，“這一發(fā)現(xiàn)可以改進(jìn)新型的熱載體太陽能電池，這種電池比傳統(tǒng)太陽能電池更有效地將陽光轉(zhuǎn)化為電能，在它們失去能量轉(zhuǎn)化為熱能之前，利用光生電荷載體。”目前還沒有關(guān)于該產(chǎn)品價格點或何時上市的消息。盡管如此，ORNL表示，它已經(jīng)接近商業(yè)化的現(xiàn)實，并且在不久的將來可以應(yīng)用于其他現(xiàn)實世界的應(yīng)用。

這個時機(jī)似乎也很完美，因為未來幾十年，太陽可能將主導(dǎo)全球電力領(lǐng)域。國際能源署(IEA)在年度《世界能源展望》(World Energy Outlook)中表示，在其核心情景下（反映出已宣布的政策意圖和目標(biāo)情況下），到2025年，可再生能源有望取代煤炭，成為主要的發(fā)電方式。報告稱，到2030年，太陽能和風(fēng)能在全球發(fā)電總份額中的比重將從2019年的8%上升到30%左右，太陽能將以平均每年12%的速度增長。“我認(rèn)為太陽能將成為全球電力市場的新霸主，”IEA執(zhí)行干事Fatih Birol表示，“根據(jù)目前的政策設(shè)定，2022年以后每年的太陽能部署都將創(chuàng)下新的記錄。”
太陽能和風(fēng)能發(fā)電站應(yīng)用

從太陽能照明行業(yè)角度來看，短期內(nèi)，由于技術(shù)瓶頸，市場還未全面開花。但作為光伏應(yīng)用的一個重要分支，相信隨著未來如鈣鈦礦太陽能電池等產(chǎn)品的光電轉(zhuǎn)化效率的大幅提升，以及政府、組織、企業(yè)、民眾環(huán)保意識進(jìn)一步增強(qiáng)和對太陽能應(yīng)用的接受度與認(rèn)可度的進(jìn)一步提高，未來太陽能照明市場將無可限量，必將迎來爆炸式增長。 

原標(biāo)題：科普知識｜太陽能電池的昨天、今天與明天