科普知識 | 太陽能電池的昨天、今天與明天

隨著石油和煤炭等化石能源的消耗，能源危機和環境汙染等問題日漸突出，清潔無汙染的新能源的開發也變得越來越重要了。比如說，風能、潮汐能、氫能和太陽能等。太陽能電池作為直接將光能轉化為電能的重要設備，正受到廣大科研工作者的廣泛關注與研究，而且太陽能電池也早已實現商業化生產。

太陽能電池，稱為「太陽能晶片」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或者光化學反應直接把光能轉化成電能的裝置。下面我們就來看一看太陽能電池發展歷程的昨天、今天與明天。

1839年, 法國物理學家Becquerel發現了光生伏特效應。1873年，英國工程師Willoughby Smith在測試水下電纜電阻時，在硒中發現了光電導效應。到了1883年，美國發明家Fritts首次把一層無定形的硒放在金屬片上，並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生的電流「是連續的、恆定的且相當大的」。當時還沒有量子理論可以對光伏效應進行解釋，人們對他提出的將陽光轉化為電能的說法持懷疑態度。於是他寄了一個樣品給德國的物理學家Siemens，他是當時最受尊敬的電力專家之一。Siemens的檢測結果證實了弗裡茨的說法。但轉換成電能的效率低於 1%，並沒有實際的應用價值。之後，關於光伏效應的研究又持續了幾十年，但是沒有什麼標誌性成果出現。

一直到1940年，太陽能電池的研究才出現了新的希望。貝爾實驗室的半導體研究員Ohl發現他所研究的矽樣品上有一條裂痕。他注意到，當這個有裂痕的矽樣品暴露在陽光下時，會產生電流。實際上，這是他不經意間製造了一個p-n結，這是矽太陽能電池的基礎。Ohl隨後將他製備出的大約有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。1953年，貝爾實驗室的工程師Daryl Chapin嘗試發展新電源以解決偏遠潮溼地區電話系統裡乾電池電力消失過快的問題，他認為太陽能是有希望的能源。與物理學家朋友Pearson、化學家Fuller共同努力之下，製備出了效率達6%的矽太陽能電池，並在1954年4月25日在美國新澤西州聯名宣布了這項研究成果。從此，太陽能電池進入了應用時代，並且4年之後，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星發射升空。

目前，太陽能技術發展大致為三個階段：第一代太陽能電池主要指單晶矽和多晶矽太陽能電池，其在實驗室的光電轉換效率已經分別達到25%和20.4%；第二代太陽能電池主要包括非晶矽薄膜電池和多晶矽薄膜電池；第三代太陽能電池主要指具有高轉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太陽能電池、鈣鈦礦型太陽能電池等。

然而，太陽能電池已經存在了60多年，但是商業矽還幾乎沒有勉強進入25%的範圍，最大限度地達到了理論上的30%。為了滿足世界快速增長的能源需求，實現有助於減緩氣候變化影響的去碳化目標，實際上需要數百年時間才能建造和安裝足夠的矽光伏電池板。顯然，這是太慢了，我們的目的是不可行，因為我們只有10年的時間採取行動，以避免不可逆轉和災難性的氣候變化。多年來，科學家們一直在試驗替代晶體結構，這些新型結構可以讓類似尺寸的面板捕捉更多的能量，這也就是全球科學家正在全力攻關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裡面的佼佼者，它是利用鈣鈦礦型的有機金屬滷化物半導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，現在已經成功打破了玻璃天花板的效率。鈣鈦礦是以俄羅斯地質學家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，從相同的太陽強度產生更多的電能。

鈣鈦礦在 2009 年首次被嘗試應用於光伏發電領域後，因為性能優異、成本低廉、商業價值巨大，從此大放異彩。近年，全球頂尖科研機構和大型跨國公司，如牛津大學、瑞士洛桑聯邦理工學院、日本松下、夏普、東芝等都投入了大量人力物力，力爭早日實現量產。

2012年，科學家們終於成功製造出薄膜鈣鈦礦太陽能電池，效率超過10%。但從那時起，新型鈣鈦礦電池設計的效率突飛猛進：2017 年 2月，中國企業以 15.2%的轉換效率，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錄。此後，分別在當年 5 月和 12 月，以 16%和 17.4%的轉換效率實現了一年三破世界紀錄的佳績。2018年12月，牛津大學實驗室的實驗效率達到了28%，再一次刷新了鈣鈦礦太陽能電池的轉換效率紀錄。

而最近，美國能源部最大的科學和能源實驗室橡樹嶺國家實驗室（簡稱ORNL）宣布發現新型熱載體鈣鈦礦太陽能電池，其轉換效率可接近夢幻的66%。根據ORNL的說法，「這一發現可以改進新型的熱載體太陽能電池，這種電池比傳統太陽能電池更有效地將陽光轉化為電能，在它們失去能量轉化為熱能之前，利用光生電荷載體。」目前還沒有關於該產品價格點或何時上市的消息。儘管如此，ORNL表示，它已經接近商業化的現實，並且在不久的將來可以應用於其他現實世界的應用。

這個時機似乎也很完美，因為未來幾十年，太陽可能將主導全球電力領域。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情況下），到2025年，可再生能源有望取代煤炭，成為主要的發電方式。報告稱，到2030年，太陽能和風能在全球發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。「我認為太陽能將成為全球電力市場的新霸主，」IEA執行幹事Fatih Birol表示，「根據目前的政策設定，2022年以後每年的太陽能部署都將創下新的記錄。」

從太陽能照明行業角度來看，短期內，由於技術瓶頸，市場還未全面開花。但作為光伏應用的一個重要分支，相信隨著未來如鈣鈦礦太陽能電池等產品的光電轉化效率的大幅提升，以及政府、組織、企業、民眾環保意識進一步增強和對太陽能應用的接受度與認可度的進一步提高，未來太陽能照明市場將無可限量，必將迎來爆炸式增長。