俗话说得好，三个臭皮匠胜过一个诸葛亮。当太阳能电池串联工作时也是如此。美国能源部国家可再生能源实验室(NREL)的研究人员已经准备了一份路线图，关于如何将串联太阳能电池——特别是那些与不同光伏技术相结合的太阳能电池——推向商业化。
正如研究人员在《焦耳》(Joule)杂志上的一篇文章中指出的那样，除了目前安装的1太瓦容量之外，全球还必须增加相当多的太阳能。由于人口增长和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组件依赖于单个结，它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更多的结组成，有潜力达到更高的效率。由于串联堆叠在一起，因此模块所需的总面积减少了，从而提高了效率，并有可能降低系统的总成本。
这篇题为“串联光伏技术路线图”的文章的主要作者Kirstin Alberi说，高效率的III-V多结太阳能电池已经有几十年的历史了，但规模很小，主要用于空间应用，比如为卫星提供动力。
NREL材料科学中心主任Alberi表示，大型制造商和初创公司目前都在开发使用更具可扩展性光伏技术的新型混合串联模块，“但我们还不知道有任何一种正在大规模生产和商业销售。”
阿尔贝和她的17位合著者正试图激励研究人员和制造商合作，目标是在大规模生产串联发电机方面取得快速进展。
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生产
- 识别和解决可靠性和耐久性问题
- 制定混合串联光伏组件和系统的设计，以加快部署。
路线图的重点是混合串联，其中两种或更多不同的光伏技术相结合，以提供最大的效率。由于有大量的材料被设计用来吸收阳光，因此产生串联的组合数量是丰富的。这些材料分为两组:最好的作为顶单元和最好的作为底单元。
两个连接点之间的正确匹配增加了被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级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，”Alberi说。“作为顶级电池，它们提供了足够高的效率，而且成本效益也足够高，因此串联电池的效率远远高于任何一种技术的单结电池。”
钙钛矿这个术语指的是一种晶体结构，而不是像硅这样的特定元素。钙钛矿太阳能电池的长期稳定性研究仍在继续，它已被证明是非常有效的。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级电池的潜力。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成本高昂。NREL的研究人员一直在寻找更便宜的制造方法。
研究人员说，底部电池最明显的材料是硅，它在太阳能工业中占主导地位。由顶部金属卤化物钙钛矿电池和底部硅电池组成的串联电池目前保持着效率的记录。
NREL高效晶体光伏小组的工作人员、路线图论文的合著者艾米丽·沃伦(Emily Warren)说，串联技术带来了额外的挑战。
她说:“对于单结光伏材料，模块是通过将单个电池横向串联起来制成的。”“对于串联，有多种选择来互连单元，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成功地达到了至少1千兆瓦的生产规模。除了硅，由铜铟镓二硒化(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作为顶部电池。
研究人员表示，硅与CIGS和CdTe制成的薄膜电池之间商业化轨迹的对比，为建立千兆瓦级串联技术必须克服的挑战提供了见解。硅光伏得益于半导体行业的大量投资，从而实现了知识共享和标准化流程。
然而，专门从事CIGS和CdTe的公司在试图与硅光伏取得进展时，小心翼翼地保护了他们的工艺和沉积技术。
该路线图提出了一种合作努力，比如建立一个类似于那些促进钙钛矿和碲化镉太阳能电池板制造的联盟。根据路线图文件，这将使工业界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。
“现有的联盟已经被证明对单结光伏技术的开发和商业化有很大的帮助，因为它们可以帮助信息共享，倡导跨领域的研究，这将有助于整个领域，并使更多的利益相关者共同努力解决影响整个领域的问题，”Alberi说。
“我们认为联盟可以在混合动力串联的发展中发挥类似的作用，特别是因为我们仍处于这项技术的早期商业化阶段。”
更多信息:Kirstin Alberi等人，串联光伏的路线图，Joule(2024)。引文:研究人员概述串联太阳能电池的前进道路(2024年4月26日)检索自2024年4月26日https://techxplore.com/news/2024-04-outline-path-tandem-solar-cells.html此文档受版权保护。除为私人学习或研究目的而进行的任何公平交易外，未经书面许可，不得转载任何部分。内容仅供参考之用。
