一种新型太阳能材料使效率突破了理论极限 多年来，钙钛矿一直被誉为太阳能领域的“圣杯”，因其具有高效且成本更低的太阳能电池这一巨大潜力而备受赞誉。钙钛矿是一类具有相似晶体结构、高超导性、高磁电阻性和高铁电性的材料，使其有可能取代硅。钙钛矿薄膜光伏板能够吸收更广泛的波长范围内的光线，使其效率达到约 40%，而硅的理论极限效率约为 30%。不幸的是，钙钛矿材料的稳定性极差，一旦暴露于常见的环境因素中，就会极易发生降解。 但如今，剑桥大学的研究人员已经研发出一种新型卤化钙钛矿材料，其稳定性远超传统钙钛矿材料。他们通过在原子层面上对其进行微调实现了这一突破，这为制造更强大、更耐用且更高效的设备铺平了道路。 研究人员采用一种基于蒸汽的技术，一层一层地制造二维和三维的钙钛矿材料，从而能够精确测量钙钛矿薄膜的厚度，精度可达原子的几分之一。实际上，科学家们能够以埃尺度（即十分之一纳米）制造钙钛矿层。然后，他们精心地将这些层一层叠放在一起，使其中的原子排列得极为整齐，使得电子和空穴（电子的带正电的相反粒子）能够自由移动，这一过程与制造商用半导体的过程类似。 实际上，这些层就像单向通道一样，引导电荷流动，并防止它们因发热而浪费能量。研究人员已经实现了层间能量差超过半电子伏特，并将电子和空穴的寿命延长至超过 10 微秒，远远长于通常的情况。 “能够随意改变钙钛矿的成分和性能，并深入探究这些变化——这是一项真正的成就，也体现了我们在剑桥所投入的时间和精力。”该研究的共同负责人萨姆·斯特兰克教授说道。“但更重要的是，这表明我们能够利用钙钛矿制造出实用的半导体材料，这或许有一天会彻底改变我们制造廉价电子设备和太阳能电池的方式。” 钙钛矿技术正以迅猛的速度发展。2012 年，科学家们终于成功制造出了薄膜型钙钛矿太阳能电池，其效率超过了 10%。但此后，新型钙钛矿电池的设计效率大幅提高：最新的型号能够达到 30%以上，而这一切都源自一种薄膜型电池，从理论上讲，其制造过程要比厚膜硅板简单且成本更低。 去年，中国大型太阳能电池板制造商隆基宣布，其研发的钙钛矿-硅叠层太阳能电池的光电转换效率达到了 34.6%，创下了新的世界纪录，超过了该公司此前在 2023 年 11 月创下的 33.9%的纪录。欧洲太阳能测试安装中心（ESTI）对这些结果进行了认证。隆基是全球最大的太阳能制造商之一，也是行业内的领军企业。 该公司在一份声明中表示：“我们之所以能取得这一成果，是因为优化了电子传输层的薄膜沉积工艺，开发并使用了高效缺陷钝化材料，以及设计并开发了高质量的界面钝化结构。”但该公司未提供更多细节。 在过去四年里，Longi公司已多次打破太阳能电池效率的世界纪录。该公司最新的突破成果实际上已经超越了单结太阳能电池的肖克利 - 库塞弗（S-Q）理论效率极限值 33.7%。 与此同时，韩国大型企业集团韩华集团旗下的子公司 Qcells 成功创造了大面积硅基太阳能电池（其顶层为钙钛矿材料）效率的世界纪录。这一突破有望大幅缩小项目规模并大幅降低成本。 Qcells 采用该技术在一款被称为 M10 的大型商业级电池上实现了 28.6% 的电池效率，这一效率显著高于晶体硅电池的 27% 以及传统商业硅太阳能电池的约 21%。而Longi公司的更高效率则适用于尺寸更小的电池。 Qcells 公司的首席技术官丹妮尔·梅尔费尔德对路透社表示：“如果在一块地里安装了 100 块太阳能电池板，但实际能获得的发电量却只有 60 块或 80 块的话，那么现在你就不需要挖掘那么多的坑，不需要那么多的导线，安装起来所需的劳动力也会减少。” Qcells 的这一发现正值大型太阳能项目大量占用土地这一现象日益成为重大挑战之时。例如，加利福尼亚州的“太阳之星”项目是全球最大的太阳能发电设施之一，其在洛杉矶以北的 3000 英亩土地上分布着 170 万块太阳能板。相比之下，位于“太阳之星”以南 100 英里处的一座天然气发电厂，仅在 122 英亩的土地上就能产生相同的发电量。
