太阳电池的未来技术会是什么？

科技 2024-11-13 17:16 北京

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太阳电池的未来技术究竟会是什么？今天之所以想简单聊下这个话题，是因为按照目前光伏技术的发展趋势，不出意外的话，在接下来的3-4年内，无论是基于n型TOPCon，硅异质结（SHJ）或者BC技术的单结晶硅电池都会先后达到量产效率极限。笔者认为单结晶硅电池的量产效率极限应该在27.5-27.8%左右，且这三种技术的量产极限效率差异也不会太大（最高和最低的差距预期在0.6%以内）。

我们先简单回顾下过去十年内发生的两次重要的太阳电池技术更新换代，第一次是在2019年初完成的PERC电池替代传统铝背场电池，与此同时单晶也完成了对多晶的替代；第二次是在2024年基本完成的p型PERC电池被以n型TOPCon电池（也有少部分硅异质结和BC电池）为代表的新一代n型技术所替代。

现在问题来了，当单节晶硅电池量产效率达到极限后，太阳电池的下一步技术将何去何从？笔者记得7年多前在一次小范围的晚宴上曾当面请教过行业知名专家赵建华博士两个问题，第一个问题是单结晶硅电池效率的量产极限应该是多少，第二个问题是当电池量产效率达到极限后研发该做什么。我清楚地记得赵建华博士对第一个问题的答案应该是26.5%左右（基于当时的技术和设备情况，这个预期也非常客观）。而对于第二个问题，赵博士当时自言自语说了下“研发该做什么呢？”，然后半开玩笑地说到“那研发都去做生产吧”。从赵博士的回答可见，当时由于离晶硅达到极限量产效率的时间还相当久远，行业还没有准备好去认真考虑再下一代太阳电池的技术路线。

未来的电池路线究竟会是什么？有没可能3-4年后当单结晶硅电池达到量产极限时行业的技术发展会陷入阶段性的停滞？这些很值得大家去思考。笔者个人认为，从长期看光伏技术总是要向前发展的，但3-4年后阶段性陷入停滞的可能性也不是完全没有，这主要要看当下几个新技术的发展速度能不能赶得上晶硅电池达到效率极限的速度了。

首先来看大家很关注的钙钛矿电池技术，这几年钙钛矿的技术发展非常迅速，实验室效率突飞猛进，全世界各大高校和研究机构都有很多学者在从事钙钛矿的研究。但坦率地说，钙钛矿想替代晶硅，在未来相当相当长一段时间内基本是不可能的，主要原因还是钙钛矿电池在大面积下效率下降和稳定性不佳的问题解决起来难度极其巨大（钙钛矿这样的基于低温工艺产生的多元素化合物材料，理论上是不可能达到晶硅这样的稳定性的）。还有另外一个原因，随着这两年晶硅组件价格的急剧下降，钙钛矿先前在成本上的优势已经基本消失。所以未来相当长一段时间内，单结或者自叠层钙钛矿电池都难以对晶硅形成实际的挑战，更无法在3-4年后能接替晶硅成为下一代主流技术。

再来看基于晶硅的叠层电池，目前行业一致看好的是钙钛矿加晶硅的叠层技术（III-V族和晶硅叠层电池的成本太高，基本不予考虑），现在实验室基于大尺寸硅片的叠层电池效率世界纪录也已经超过34%（由隆基在今年创造），这个数据确实非常振奋人心。笔者也认为，钙钛矿和晶硅做叠层电池应该是未来钙钛矿的最佳出路，可以有效解决单纯钙钛矿电池面临的问题。未来实现30%以上量产效率的电池，最有可能率先达到的技术路径应该就是钙钛矿加晶硅叠层。但钙钛矿加晶硅叠层技术也面临着很大的挑战，首先是长期可靠性的问题，还需要行业的持续户外数据来验证，而目前基本没有数据。另外一个特别关键的问题就是，钙钛矿加晶硅结构的叠层电池主要利用钙钛矿材料带隙高度可调的特性，让钙钛矿在上层响应光谱的短波段而让晶硅在下层响应光谱的长波段，上下层在电路上处于串联关系。在实验室的标准AM1.5光谱下，上下层可以对长短波的光谱和谐分工，电流一致、电压叠加，达到理想的效率状态。但在实际的户外条件下，光谱通常和标准的AM1.5有较大的偏差，这时上下层对光谱的响应和实验室测试条件下会产生各种不一致的偏离，响应变差的那层电流会出现明显下降，而串联电路决定了整个电路中的电流会取其中的最小值，这时叠层电池的实际效率相比测试效率会急剧下降而且会产生明显的发热效应。因此钙钛矿加晶硅叠层电池的实际户外发电表现存在着非常大的不确定性，需要更多的户外数据来验证其发电性能并逐步找到相对有效的解决方案。综合来看，3-4年后钙钛矿加晶硅叠层技术大面积取代单结晶硅电池的难度依然很大，前景并不是非常乐观。

最后再来看一个目前尚处于最早期验证阶段的新技术概念，据了解截至目前还没研制出实验样品。这种技术的理念是用特殊的表面材料将处于高频率短波段的一个光子转换成中长波段的一对光子（根据量子物理学，频率越高、波长越短的光子携带的能量更高：E=hv），转换后的一对光子再作用到晶硅上，这样电池的内量子效率（EQE）得到显著提高，从而大幅提升转换效率。基于理论模型，该结构的电池能轻松达到30%以上的转换效率（有国外机构将这种技术叫做Singlet Fission）。这是一种听起来让人非常向往的技术，但预计这种新技术从概念到实验室样品再到阶段验证的周期至少需要6年以上，目前也尚不清楚未来能否大规模量产，因此3-4年后大概率是没法指望这种技术来接班单结晶硅电池了。

综上所述，以现阶段各种新技术的发展进度来看，当3-4年后单结晶硅电池达到量产效率极限后，能及时出现有一个可以平稳有序实现量产替代的新技术的难度很大，也可能不排除行业会出现2年左右的量产效率停滞的阶段性瓶颈期。所以，留给各大机构和企业研发人员的任务还是很重，唯有不断努力创新，才能确保光伏技术的长期可持续发展。衷心希望更好的新技术替代能够早日实现，让光伏能够在不久的将来真正成为全球能源的中流砥柱。

来源：恒卓光伏

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