串聯(lián)型太陽能:太陽能技術(shù)中新興研究方向

太陽能漸漸進入千家萬戶，作用很大，太陽能不僅為植物生長提供光源，而且也能為人類提供能源，現(xiàn)在的光伏發(fā)電就是很大程度上利用了太陽能。目前無機材料硅晶太陽能為最常見、成本效益比最高的太陽光電技術(shù)，只是由于其轉(zhuǎn)換效率已達到15-22%，近期效率提升幅度也不大、預(yù)期未來難以再度突破，科學家一直在尋找其他材料，或是運用另一種制程，希望讓太陽光電技術(shù)迎來新的成長機遇。

讓硅與其他材料合作其中「串聯(lián)型太陽能」就是太陽能技術(shù)中新興研究方向，像是澳洲國立大學與美國加州理工學院近期已攜手合作，運用全新的方式將硅與太陽光電后起之秀鈣鈦礦組合在一起，澳洲國立大學研究員Heping Shen博士表示，若想要把兩種太陽能電池組合在一起時，通常中間還需要一道「連接橋梁」，讓電荷可以在材料間移動。

團隊認為或許可將這條連接橋梁拆除，雖然橋梁可以達到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的作用，但這樣一來會增加電池的能源消耗、提升制造過程的難易度，論文共同作者Daniel Jacobs博士指出，對此，團隊已研發(fā)出新型電池串聯(lián)方法，不需要中間層就可以讓電荷順利游移，目前他們也已將轉(zhuǎn)換效率提升到24%，未來有望突破至30%。

而該團隊并非世界唯一一個研究硅─鈣鈦礦的團隊，美國布朗大學與內(nèi)布拉斯加大學林肯分校(UNL)年初時也已著手研發(fā)類似技術(shù)，更希望未來可藉由設(shè)計多層、不同能隙的材料來提升光電轉(zhuǎn)換效率。瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院(EPFL)與瑞士電子和微技術(shù)中心(CSEM)的科學家則在6月時成功將硅與鈣鈦礦相結(jié)合，兩種太陽能材料能截長補短，鈣鈦礦負責將綠光、藍光轉(zhuǎn)換為電能，硅則負責紅光、近紅外光，最終將轉(zhuǎn)換效率提升到25.2%。

材料的多種排列組合太陽能材料百百種，除了已經(jīng)達到商業(yè)化的硅晶太陽能、薄膜太陽能電池，還有鈣鈦礦與有機等材料可供科學家選擇，因此隨著科學家愈加看重串聯(lián)型太陽能電池，也有越來越多有趣的材料排列組合登場。

像是看好高轉(zhuǎn)換效率銅銦鎵硒(CIGS)太陽能與鈣鈦礦的低成本易制造優(yōu)勢，加州大學洛杉磯分校9月時運用這兩種材料，打造出轉(zhuǎn)換效率達22.4%的鈣鈦礦─CIGS太陽能電池，比利時歐洲跨校際微電子研究中心(IMEC)也不落人后，9月中旬進一步將轉(zhuǎn)換效率突破至24.6%。

加州大學洛杉磯分校教授楊陽(Yang Yang)表示，利用串聯(lián)太陽能電池設(shè)計，同一個電池可吸收兩種不同光譜范圍的能量，與單單一層CIGS太陽能相比，這種方式可大幅增加光電轉(zhuǎn)換效率。IMEC也指出，上層的鈣鈦礦太陽能板能吸收大部分可見光，底下的CIGS電池則可吸收近紅外光，這讓太陽能轉(zhuǎn)換效率表現(xiàn)遠比單一的鈣鈦礦與CIGS電池還要好。

除了鈣鈦礦─CIGS太陽能組合之外，也有科學家瞄準具有可大量制造、價格低廉、材地柔軟可撓曲等特性的有機太陽能，制造出串聯(lián)型有機太陽能電池。比如美國密西根大學4月研發(fā)出轉(zhuǎn)換效率達15%、壽命長達20年的有機太陽能電池，不僅已達到商業(yè)化標準，更有機會讓太陽能成本再次下降。

中國南開大學科學家也在8月時將串聯(lián)型有機太陽能電池轉(zhuǎn)換效率提升到17%，透過不同有機材料讓光吸收范圍相互互補，其中前側(cè)材料可吸收300-720nm波長的光，另一材料則負責720-1,000nm，穩(wěn)定性也大幅提升，166天初步測驗后電池效率僅下降4%左右。

相信在未來為了讓太陽能轉(zhuǎn)換效率更上一層樓、進一步提升太陽能成本效益比，眾多科學家正努力嘗試新技術(shù)與新材料，雖然這些都還是實驗數(shù)據(jù)，實際效率與壽命尚未經(jīng)過戶外環(huán)境的嚴苛考驗，但隨著時間流逝與技術(shù)愈加成熟，未來新興串聯(lián)型太陽能技術(shù)或許有機會跨出實驗室。如果某一天人們能高效利用太陽能，相信能解決很大的能源問題，畢竟太陽能是符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的，能保證人類的永續(xù)發(fā)展，需要我們科研人員更加努力。