太阳能电池：对更光明的未来至关重要的东西

如果你看到了，你不会认出现代太阳能电池板的前身，谁知道它们将来会是什么样子？

第一个太阳能电池板的前身并不是真正的电池板，它甚至没有使用阳光。然而，1839 年法国科学家 Antoine César Becquerel 在他的实验室中首先观察到的物理过程，然后由 Willoughby Smith 检验，当电报电缆淹没在大西洋下时，在硒棒中观察到的物理过程是否与之前的物理过程基本相同。出现在世界各地的太阳能电池中。今天。

简而言之：光照射到半导体材料上，然后产生电流——没有运动部件，没有蒸汽，没有涡轮机。

第一个真正的太阳能电池原型是由纽约发明家查尔斯弗里茨于 1883 年创建的 - 顺便说一下，他还修补了手表弹簧、窗帘固定装置和铁路车辆联轴器（哦，我是 19 世纪的发明家！） - 包括一层薄薄的硒覆盖在金属板上，上面覆盖着一层金箔，非常薄，几乎是透明的。第一批太阳能电池吸收的光能中只有不到 1% 被转化为电能——当时许多刚刚痴迷于燃煤涡轮机前景的工程师、物理学家和企业家都没有注意到这一事实。

太阳能电池板在屋顶上变得无处不在

我们浏览了 1905 年，从标志性的阿尔伯特·爱因斯坦 (Albert Einstein) 出版的光电效应背后的物理学（一切都在名义上，伙计们），一直到 1927 年引入氧化铜太阳能电池，最后，到 1941 年，硅胶点燃太阳能电池的未来相当多。在接下来的十年左右——晶体管的出现帮了大忙——1% 的能量转换僵局终于被打破了。能量转换率小幅上升到 6%，然后在 1980 年代后期达到 20% 左右——这几乎是您对当今普通屋顶板（一组组合太阳能电池）的期望。

毫无疑问，您身边有很多这样的产品，用于装饰房屋、超市和太阳能农场。

它们于 1979 年由当时的总统吉米卡特安装在白宫屋顶上，随后罗纳德里根出现并在接下来的几十年里关闭了可再生能源的灯。

卡特在白宫屋顶上安装了太阳能电池

这些屋顶型面板由硅基电池组成，阿德莱德大学化学研究员 Cameron Shearer 博士解释说。 “它们由两种类型的硅组成。一种非常擅长传输电子，另一种非常擅长传输空穴”（或不存在电子）。当光被吸收时，电子开始移动，产生电流。

第二种类型的太阳能电池通常用于重量和效率考虑占主导地位的空间应用——航天器、卫星和空间观测站。它们有一系列层可以吸收来自太阳的许多不同的光能——不仅仅是可见光，使它们更有效（接近 48% 的能量转换），而且使用了更昂贵的材料。

我们的能源需求

到 2021 年，全球将产生总计 1,032.5 TWh（太瓦时）的太阳能。其中，阳光明媚、开阔的澳大利亚发电量为 31.19 TWh。将其与 2021 年全球所有能源的总发电量 28,214 TWh 进行比较，并考虑到到达澳大利亚中部的平均阳光量，2021 年全球发电所需的太阳能电池板面积将超过 55,000 平方公里，Shearer 计算.这大约是塔斯马尼亚岛面积的 80%，或略小于克罗地亚的面积。

要生产 2021 年全球消耗的 13,340 TWh 能源（包括柴油、汽油和其他燃料等非电力形式的能源），需要大约 340,000 平方公里的面积。这听起来很多，但仅澳大利亚的沙漠覆盖面积就约为 270 万平方公里2，这并没有说明适当的屋顶覆盖范围。

然而，根据国际光伏路线图，世界将需要从太阳能中产生超过 60 TWh 的电力才能实现净零排放。

太阳能目前存在一些瓶颈。

首先，这是 150 年前的同一个问题：有效性速度。当前的屋顶太阳能电池受到制造它们的材料硅的限制。给定太阳能电池的能量转换效率受到所谓的 Shockley Quiesser 限制的限制，该限制考虑了材料吸收能量的能力以及在此过程中损失了多少能量。对于硅，绝对零时的能量转换效率为 33%，但在实际条件下可高达 29% 左右。

然而，面板设计和太阳能电池本身都有望提高屋顶太阳能电池的效率。

太阳能电池板由许多太阳能电池连接在一起组成，这会导致连接中的死区和能量损失，因此无论设计多么仔细，电池板都不可避免地会带来一些低效率。

新的太阳能电池技术

希勒解释说，研究人员一直在研究的最有前途的材料之一是钙钛矿——一类矿物结构。最有希望的是卤化铅，实验室已经证明，当与串联太阳能电池中的硅结合使用时，它的能量转换率高达 31.25%。

在你说“那不算多”之前，美国燃煤电厂的平均能源效率约为 33%。

具有化学式 ABX3 的单个钙钛矿电池的理想原子结构示意图，其中A和B是两种金属阳离子

有机硅层中的钙钛矿可能是太阳能电池未来的发展方向。钙钛矿往往在高能可见光（对我们来说更蓝的波长）下工作得更好，而硅往往在低能量或更红的波长下工作得更好。钙钛矿还可以通过改变其化学成分来调整以吸收特定颜色（即红色、绿色和蓝色），这意味着调整后的钙钛矿和有机硅堆叠甚至可以将整个堆叠结合起来，如果敏感地对齐的话。电池的效率提高到 50% 以上。

还有其他可堆叠的材料正在开发中，您可以在此处阅读更多内容。

Anita Ho-Baillie 教授一直在研究钙钛矿，并在接受《悉尼校友杂志》采访时对取得的进展感到兴奋。 “人们花了 40 年时间才将硅的效率提高一倍，”她说。 “钙钛矿在短短 10 年内就赶上了硅。”

更重要的是，钙钛矿可以打印，使制造过程更快。试图使它们更稳定地降解并适用于商业用途。 “它比硅更容易处理，”Ho-Baillie 说。 “过去我在实验室里制作一个硅电池需要 4 周时间。使用钙钛矿，只需要两天时间。”