PV電池效率刷新紀錄能源民主化時代即將來臨
作者：Julien Happich
在日前舉行的28屆歐洲太陽能光電展(EU PVSEC)上，整個會場的氣氛顯得充滿生氣。這次學術開幕會議帶來了非常有前景的研究成果和新的電池概念，這種電池採用的是產生奈米線陣列的III-V材料組合。這次會議也使歐洲委員會的聯合研究中心有機會提交其2013年光電能源行情報告，並討論在歐洲能源市場中增加光電能源比重以及合作推動能源民主化的策略。
堆疊多結太陽能電池的方法
Fraunhofer
ISE公司‘材料-太陽能電池與技術’事業部負責人Andreas W.Bett在專題演講中透露了在太陽能電池效率方面的最先進成果，聲稱利用一種四結太陽能電池的結構(4個子電池)達到了44.7%的效率世界記錄。
這項創記錄的效率是在聚集297束太陽光的條件下測量得到的，電池可以轉換從紫外光一直到紅外光約44.7%的太陽能光譜能量(每個子電池吸收不同的波長範圍，見圖1)。在太陽能發電廠，使用玻璃或塑膠光纖將太陽光集中到較小的堆疊電池上也會比在更大面積上使用矽材料便宜。W.Bett另外也表示，光譜分割雖然可行，但不具有成本效益，因此電池堆疊方法也一樣。
圖1：Fraunhofer ISE CalLab測量得到的Fraunhofer ISE公司四結太陽能電池及其外部量子效率。
W.Bett並未採用生長III-V化合物半導體晶格匹配層的標準單片分層方法，他透過觀察詳細的模擬結果找到了最高效的能隙堆疊。隨後在實驗室中利用有機金屬氣相外延(MOVPE)實現了正確的材料組合和最佳能隙，並使用創新的變形生長概念，在晶格常數些微失配的疊層間建構出遞進合成物的緩衝層。據W.Bett透露，這種策略在材料選擇方面更加靈活，因此可以達到更高的光電轉換效率。
並不是所有人都認同這種方法的總體成本效率，至少imec公司開發總監Philip Pieter就是其中的一位。他認為，建構多結電池的更好方法是透過機械接合不同的電池(見圖2)，每個電池的選擇依據是效率，而不是其晶格或電流匹配。
圖2：以機械方式將每節電池的端子堆疊起來的多結太陽能電池與單片形式整合的雙端子多結電池。
在以前的研究中，Pieter強調，透過機械方式堆疊串聯電池，而不是使用具有不同能隙全部串聯在一起的單片結構，整體電池堆疊將較少受到不斷變化的光線條件影響(光線條件會不同程度地影響能隙，並將其中一些能隙轉變成串聯配置的負載)。事實上，根據設備性能測量數據和氣候資訊，研究人員能夠計算出機械堆疊方式的電池年度總產能增加了25%，這只是因為這種電池對於白天時間變化和氣候條件造成的光譜變化具有較低的感應度(見圖3)。相較之下，電流匹配型單片產生的多結電池性能會因為早晨和傍晚(日出和日落時)豐富的紅色光使得頂層結點性能欠佳而受到限制。
圖3：根據計算和氣候數據比較機械堆疊多結電池與單片整合多結電池的年總產能。
增強光線吸收
瑞典隆德大學半導體物理學系教授Lars Samuelson表示，目前在這個階段的研究進度仍是外延技術，但正試圖將單晶III-V太陽能電池的成本降低到薄膜太陽能電池的水準。
Samuelson最近發佈了用磷化銦(InP)奈米線陣列太陽能電池取得了13.8%效率的成果，它是基於180nm直徑奈米線的諧振光線擷取技術，這種奈米線生長後具有結點和異質結構(軸向和輻射狀)(見圖4)。這種奈米線透過奈米印壓蝕刻圖案方法以MOVPE方式生長，僅覆蓋12%的電池表面。該瑞典實驗室還展示，利用這些光學最佳化結構，轉換成光電流的太陽光線量大約是單光束描述(光線透過光學方法擷取進奈米結構)中極限的六倍。Samuelson還披露了一種生長這些奈米線的新製程，據說能實現低成本的量產製造。
圖4：用180nm直徑奈米線實現諧振光線擷取的InP奈米線陣列太陽能電池概念。
Samuelson為此外延過程命名為Aerotaxy，存在於穿過熔爐的流動金氣深膠種子顆粒中，而這種熔爐包含初級粒子氣體的混合物(三甲基色氨酸鎵TMGa和三氫砷化AsH3)。這種連續氣相合成據稱能以大約1μm/s 的極快生長速度合成結構上和光學上可調諧的奈米線二極體。採用這種製程後，Samuelson估計奈米線的生產成本還不到在GaAs上以外延方式生長的奈米線成本的5%，同時也遠低於在矽晶上建構奈米線成本的四分之一。
如果在‘載體墨水’中使用這些奈米線，這些奈米線可加以擴展並在微型圖案蝕刻表面上垂直排列，而這個表面隨後會被拉伸為薄膜。由於只有10%至12%的奈米線表面覆蓋率，Samuelson聲稱可以吸收95%至100%的光線。Samuelson對於未來所規劃的發展藍圖是利用嵌入於可撓性薄膜中的雙能隙III-V奈米線達到20%至25%的光線轉換效率。
正如倫敦帝國學院研究員Nicholas Hylton在其寬頻吸收增強演講稿中所解釋的，限制標準太陽能電池中光線損失的方法之一是充分利用電池內部的光線散射。在倫敦帝國學院Blackett實驗室固態試驗小組的一項研究中，Hylton嘗試用鋁奈米顆粒陣列執行基於表面的奈米結構光線擷取並提高吸收效率(見圖5)。
圖5：在普通電池上使用奈米顆粒實現奈米結構性光線擷取的概念。
該實驗室利用直徑為100nm、以各種間距分佈的金、銀和鋁奈米顆粒培育出很薄的GaAs光敏二極體，用以檢測散射/吸收效應。
根據最近一份主題為‘如何減少電漿體太陽能電池中的損失’的學術報告顯示，在400nm至900nm頻率範圍內，當分別使用200nm和400nm間距的鋁奈米顆粒陣列時，整合效率可以提高6%和22%。而當使用相同尺寸的金或銀奈米顆粒時，總的外部量子效率反而降低了(由於局部電漿體諧振的刺激，以及帶間躍遷導致金中的能量吸收)。
會議的另一個亮點是Empa(瑞士聯邦材料科學與技術實驗室)對薄膜太陽能電池用的銅銦鎵硒化物(CIGS)所取得的改善成果，這種薄膜太陽能電池是在可撓性基板上使用液體沈積製程所實現的。根據該實驗室報告，基於其箔片的太陽能電池達到了20.4%的效率記錄，中期目標是達到25%。
能源民主化時代即將來臨
正如美國經濟學家Jeremy Rifki在《第三次工業革命》(The Third Industrial
Revolution)一書中所提到的，隨著資通訊技術與能源逐漸邁向融合，網際網路與可再生能源將結合起來，為第三次工業革命創造強大基礎，從而改變整個世界，帶來一場新能源與商務、政治、教育的全面革命。而在新時代中，人們將可在自己的家裡、辦公室、工廠中生產出自家需要的綠色能源，並在‘能源網路’上進行分享，就像現在我們在網上發佈與分享訊息一樣─這種所謂的‘能源民化’(energy democration)將從根本上重塑人際關係，並深入影響我們如何生活、如何管理社會以及如何展開商業活動的各種方式。
為了實現能源民主化的世界，攜手合作更勝於管理控制，而追求能源的可持續性發展也將取代消極的提高生產力。
因此，在學術開幕會後所舉行的圓桌會議上，歐洲議會成員、Greens/EFA集團副主席、產業、研究與能源委員會成員Claude Turmes強調，歐洲國家之間需要共同展開研發工作，以便在不同成員國之間更有效地同步能源的生產搭配。在圓桌會議上討論的一個議題是標準化PV模組的尺寸，促進在所有歐洲國家之間進一步降低生產成本。
Turmes強調，歐洲先前提出在2020年20%的能量來自可再生能源的承諾意味著更多的PV產能和更低的PV成本，以實現‘市電同價’(Gridparity；即太陽發電成本下降至與傳統發電成本相當)的理想。不過，他也指出，目前能源市場必須做出改革才更足以反映污染成本以及非再生能源對環境的負面影響。
他指出，“我們的挑戰在於如何改革能源市場，讓太陽能市場起飛，而不是如何將太陽能整合進一個不健康的能源市場。”
“太陽能光電市場變得越來越成功，而且它所提供電能的成本足以威脅到傳統能源，”Turmes表示，PV能源遇到的最大障礙是由少數電力公司及其代表議員所掌控的市場。他補充道：“PV為能源民主化帶來的好處是如此吸引人，以至於沒有人能夠阻止這場能源革命，我們只需要建立一個社會中少數服從多數的環境。”
Turmes則認為，可再生能源的成長將帶來一場從下而上的社會變革，而不是從那些集中管理著複雜電廠並保護一已私利的大公司開始。由於數百萬消費者決定變成生產消費者，所以他們也將成為能源管理和分配方面的決策夥伴，這將促進可再生能源成長所需的社會變革。
PV模組的成本不到PV能源總成本的30%，因此需要注意電網連接成本和籌措資金之間的分離，如何高效儲存能量也還需要進一步的研究，以便消除電網基礎設備的限制。今後傳統電廠必須改變其商業模型，這些電廠只在可再生能源短缺時提供能源儲備。
“我們必須定義一個新的電力網路，不僅是針對高壓、還有中低電壓，能夠更佳管理本地能源生產和自治的整合，鼓勵消費者和生產者之間的合作夥伴關係，”歐洲委員會聯合研究中心總監Dominique Ristori表示，“將客戶從被動地位轉型為主動的生產消費者，這對於整個社會來說都應該是有利的！”
(參考原文：Energy democratization will come: it's called multi-junction photovoltaics，by Julien Happich)
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