啊不是，聊一聊未来电池片持续提效至30%以上，逐渐走上人生巅峰的秘密！
那么，哪些技术选项能够将太阳能电池效率提升至30%以上呢。其中，采用晶硅作为底电池和钙钛矿作为顶电池的双结叠层电池是一项在技术上和经济上均可行的选项。钙钛矿电池目前还存在许多问题，特别是缺乏长期稳定性，因此距离实现量产还有很长的一段路。不过，此类电池是目前唯一有望突破肖克利-奎伊瑟（Shockley-Queisser）极限、光电转换效率达到30%以上的可行解决方案。凭借我们的低温银浆、PEDOT:PSS和导电胶，贺利氏正在开发一系列产品，助力钙钛矿双结叠层电池成为新一代太阳能电池技术。
导言
晶硅PERC（钝化发射极及背接触）电池是目前最先进的太阳能电池技术之一，其量产转换效率已达到22%，并且相较薄膜电池或传统铝背场（BSF）电池， PERC电池的度电成本优势显著。
当前的问题是，哪项技术将成为新一代太阳能技术？
仅采用单一吸收体材料的太阳能电池在提高转换效率方面的潜力非常有限，其效率增益空间主要取决于吸收体的 禁带宽度 。图1所示为热力学（细致平衡）效率极限与禁带的关系曲线。太阳能电池的热力学效率极限也叫肖克利-奎伊瑟（Shockley-Queisser）极限，以首次计算出该极限的两位物理学家命名。
图1：最大理论效率与吸收体禁带宽度的关系。[1]
在AM1.5标准光谱下，曲线上的最大值约为33%，对应的禁带宽度为1.1eV或1.4eV。不过，效率峰值分布的范围也比较广。当禁带宽度为0.9-1.7eV时，转换效率也可超过30%。因此，大多数太阳光吸收材料的理论效率极限均较为相近。
晶硅的理论效率极限约为32%。然而，如果稍微偏离理想条件，考虑到（不可避免的）俄歇复合（Auger-Recombination），晶硅的效率极限便会降至29%左右。
2017年，日本钟化集团（Kaneka）开发的一块180cm²太阳能电池创下了26.6%的转换效率世界纪录[2]，已经比较接近理论极限。PERC电池（工艺改进）的转换效率记录目前由晶科保持，效率高达23.9%[3]。
未来5到10年内，晶硅太阳能电池将达到25%左右的效率极限。届时，在不影响其成本优势的前提下，电池量产技术将无法再进一步完善，这样晶硅太阳能电池技术就将失去主流技术所需要具备的经济可行性。晶硅电池达到上述极限的过程将相对容易，主要依靠不断降低光学损耗、电阻损耗以及最关键的复合损失。这一过程不需要任何“真正的”颠覆性技术。
那么，光伏行业的效率增益将会就此止步不前吗？会不会所有的改进措施都将依靠进一步降低成本（以及通过冷却等方法提高发电量）？
目前看来，唯一的办法似乎只有突破肖克利-奎伊瑟极限。原则上，有两种方法可以提高太阳能电池的理论效率极限：一是汇聚更多的太阳光；二是采用两种及以上禁带不同的吸收体材料。采用两种吸收体的电池称为“双结叠层电池”，超过两种吸收体的电池叫做“多结叠层电池”。
若要提高单个太阳能组件的发电量，最简单的方法之一就是使组件正反两面都能收集太阳光。相较单面电池组件，双面电池组件能够将光伏系统的发电量提高10-20%，但新增成本却微乎其微。在集中式光伏系统中，双面电池组件已是大势所趋，而且此类电站将是光伏装机项目中的主力军。
因此，在开发一项新的电池技术时，必须评估其与双面技术的兼容性。
聚光电池
首先，我们来看一下聚光电池技术。通过汇聚太阳光，会产生更多的载流子，同时其复合保持不变，这样开路电压就会升高，太阳能电池的转换效率也就随之提高。如图2所示，在理想条件下，电池效率随着辐照强度增强而呈对数增长。理论上来说，如果汇聚的太阳光增强1000倍，太阳能电池效率可提高约25%（相对值），电池效率极限可提高约7%（绝对值）。
图2：不同串联电阻下的电池效率与聚光比的关系
不过，在实际操作中，聚光存在许多限制，如光学损耗至少在15-20%、额外的电阻损耗、温度上升、入射接收角较小、成本高昂等。此外，聚光电池技术与双面技术也不兼容。因此，基于单结电池的聚光光伏系统在性能上不如未采用聚光技术的电池，并且成本还更高。我们不认为聚光电池是突破肖克利-奎伊瑟极限的可行技术。
双结叠层电池
双结叠层电池技术或多结电池技术旨在改善较宽的太阳光谱范围与单一半导体局限的吸收边限不相匹配的问题。图3所示为AM1.5G标准光谱。在禁带宽度为1.12 eV（约1100 nm）的晶硅太阳能电池中，能量较高（即波长较短）的光子全部被吸收，其剩余能量以热能的形式消散于晶格中——这一过程叫做热化。所有能量较低的光子均不被吸收，而是直接进入晶硅吸收体层。这些光子在背接触层被吸收并产生热量，或被反射或穿过组件。
图3：晶硅太阳能电池的光谱吸收和热损耗。 [1]
图4描述了三结太阳能电池的结构：三种不同的材料串联叠放。禁带较宽的材料位于顶部，可吸收所有能量大于其禁带的光子，其它光子将进入下一层。在这一结构中，禁带较宽的材料所产生的载流子的能量（VOC）将比禁带较窄的材料所产生的载流子要高，因此可有效减少热损耗。添加一层禁带较窄的材料可吸收更多的低能量光子，从而提高产光生电流。
图4：三结太阳能电池及相应的吸光区域。[4]
如图5所示，双结叠层电池的理论（细致平衡）效率极限取决于其顶电池和底电池的禁带能量。二者的最佳组合是0.95eV和1.7eV，这时效率最大值可达46%左右。对于底电池材料来说，晶硅是一个非常不错的选择。配以禁带宽度为1.8eV的顶电池，转换效率可达44%左右。另外，双结叠层电池技术与双面电池组件技术相容。根据不同的反射率，晶硅底电池可通过背面额外收集10-20%的太阳光。对于双结叠层电池来说，这意味着顶电池的禁带宽度需要降低，从而使其产生更多的电流，确保顶电池和底电池的电流相匹配。因此，在采用晶硅底电池的双面双结叠层电池中，顶电池的禁带宽度最好降低至1.6eV左右。
图5：双结叠层电池的（细致平衡）效率极限[1]
理论上来说，双结叠层电池技术可以将晶硅太阳能电池的效率提高12%（绝对值）那么，双结叠层电池技术能为量产太阳能电池效率带来又一次飞跃吗？
采用III-V族半导体的双结叠层电池或多结电池已被证明具有超高潜力：其实验室效率已超过46%[5]，量产效率约为40%。不过，III-V族半导体技术极其昂贵。其中，仅晶片成本就已经是硅片的200倍以上。因此，只有将太阳光的聚光量提高500倍左右，该技术才具有可行性。总而言之，由于成本过高，III-V族半导体技术目前依然无法与主流晶硅电池技术相抗衡。
长久以来，研发人员一直在寻找合适的吸收体材料来作为顶电池，与晶硅底电池搭配使用。图6显示了与效率为25%的晶硅底电池组合时，顶电池所需要达到的效率[6]。
若要实现接近30%的电池效率，当采用禁带宽度小于1.7eV的材料时，顶电池效率需要达到20%以上。到目前为止，研发人员还未找到合适的材料。碲化镉（CdTe）本来有望成为候选材料，但其禁带过窄，只有1.4eV。非晶硅和铜镓硒（CGS）的禁带宽度在1.7eV左右，比较合适，但其转换效率太低。半导体量子结构不仅不解决问题，还会引发新的问题。
图6：底电池效率不变，顶电池所需达到的效率。[6]
目前，顶电池有两种潜在候选材料：III-V族半导体和钙钛矿。
（未完待续）
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