西班牙研究人员研发出效率可达43%的太阳能电池
太阳能技术的性能多年来一直在提升，但仍有很大的改进空间。尽管目前的太阳能装置越来越经济高效，但传统太阳能电池的效率仍存在物理上的极限。
现在，位于巴塞罗那卡斯特尔德费尔斯的光子科学研究所（ICFO）的一组科学家提出了一种可能帮助突破这一限制的解决方案。最有趣的是，该方法无需开发全新的半导体材料，只需改进太阳能电池的某个组件，就能更有效地利用所接收的能量。
关键在于用一层极薄的银替代传统的透明电极，这种银层既能导电、让光线透过，同时还能控制部分辐射从电池内部逸出。
用银层突破太阳能电池板的效率极限
要理解这一进展的重要性，就需要提到著名的肖克利-奎瑟极限，这是物理学中的一个重要参考标准，它指出在标准太阳光照条件下，传统的单结太阳能电池的理论最大效率约为33%。
这意味着，即便使用高品质的材料并将制造缺陷降至最低，仍有大量能量无法被利用。其中一部分以热量的形式散失，另一部分则是能量不足、无法产生电能的光子。
但还有第三种现象也会降低效率。当阳光照射到半导体上时，会释放出能够产生电流的电子。然而，这些电子中有一些会重新结合，并释放出光子，这些光子最终会从电池中逸出，带走部分能量。
西班牙的研究人员正致力于减少与辐射发射及所谓的玻尔兹曼损耗相关的能量损失。他们的方案是利用金属薄膜的光学特性，改变光线从太阳能电池中逸出的方式。
他们没有使用常见的氧化铟锡（ITO），而是采用了一层极薄的银膜，这种薄膜既能让大部分光线透过，又具有反射特性。这样一来，就能限制从电池内部发出的辐射逸出的角度。
其结果是一种部分充当光学腔体的结构，有助于提高光子的利用效率。在实验中，研究团队观察到电压和电流都有所提升，这一点尤为重要，因为这两个参数决定了太阳能电池能够输出的功率。
效率从33%提升到43%：他们究竟取得了什么成就
根据这些结果，理论模型表明，通过改进技术，效率有望提升至接近43%的水平。这一数值相较于单结电池的传统极限而言有了显著提升，不过要验证这一方案的潜力还有许多工作要做。
该研究的第一作者弗朗西斯科·贝尔纳尔·特克斯卡认为，这项工作为突破肖克利-奎瑟极限开辟了一条迄今较少探索的研究路径。其优势在于提供了一种替代常规策略的方法，后者主要侧重于结合不同的半导体材料。
因为，如果这项技术能够发展成成熟的商业解决方案，就无需按比例扩大太阳能电池板的铺设面积，就能提升发电量。这对于屋顶安装而言尤为重要，因为屋顶的可用空间通常十分有限。
可能用于补充钙钛矿太阳能电池的技术
在提升光伏效率的激烈竞争背景下，ICFO的这项研究应运而生。目前最受关注的技术之一便是叠层太阳能电池，它通过结合不同材料来利用太阳光谱中的不同波段能量。
中国的隆基股份就是一个例子，该公司宣布其钙钛矿与硅叠层电池的转换效率已达到35.5%。与巴塞罗那的研究人员所采用的方法不同，隆基的做法是结合具有不同吸收特性的材料，从而更有效地利用光子能量。
钙钛矿材料可以调节其能够吸收的波长，而硅则负责利用光谱中的其他部分能量。这种组合有助于突破传统单结太阳能电池所面临的限制。
ICFO提出的方案针对另一种能量损失机制，因此为探索互补性解决方案提供了可能。这并不意味着这两种技术可以毫无困难地直接结合，但确实存在多种途径来进一步提升太阳能转换效率。
人们还在研究单重态裂变等技术，这类技术旨在利用高能量光子产生多个电子激发态。尽管这些仍是实验性策略，但它们表明光伏技术的改进空间依然很大。
在相同太阳能板面积下产生更多电力
提高效率的实际意义相当简单：从相同面积中能获取的电能越多，实现特定发电量所需的空间就越小。
例如，在纯粹的理论比较中，只要在相同条件下运行，效率为43%的电池每单位面积产生的电力大约会比效率为33%的电池多30%。
这将会对自用发电设施、大型太阳能电站，以及那些每平方米都极为宝贵的应用领域产生影响。从工业屋顶到建筑内置的光伏系统，能够在不扩大安装面积的情况下提高产量，显然具有显著优势。
然而，仍存在诸多重大障碍。这种新结构必须证明其能够大规模生产、多年保持性能，并具备具有竞争力的成本。同时还需要验证，在将系统应用到更大尺寸的电池片，进而发展到完整的电池组件后，实验室中观察到的改进效果是否依然存在。
银的使用同样不容忽视，因为它是一种相对昂贵的材料。尽管所使用的镀层极为薄，但其消耗量、稳定性以及制造工艺都是决定其商业可行性的重要因素。
目前这还只是一项科学进展，而非可直接安装在屋顶上的新一代太阳能电池板。但巴塞罗那研究人员的成果表明，要更充分地利用我们每天免费获得的能源，仍有许多道路有待探索。
如果最终能将更多阳光转化为电能，太阳能的成本还将继续下降，而且无需占用更多空间。