2364%转化率 - 科学家刷新了CIGS太阳能电池的世界纪录

  科学家们创造了 CIGS 太阳能电池 23.64% 的新效率世界纪录，凸显了 CIGS 技术在提高太阳能效率和可靠性方面的潜力。这一成就标志着在寻求更高效、更具成本效益的太阳能解决方案方面迈出了重要一步。

  乌普萨拉大学在利用铜铟镓硒太阳能电池产生电能方面创造了新的世界纪录，效率高达 23.64%。这一成就已由一家独立机构进行了验证，研究结果已发表在备受推崇的《自然-能源》杂志上。

  这一纪录是 First Solar 公司欧洲技术中心（前身为 Evolar）与乌普萨拉大学太阳能电池研究人员合作的成果。

  我们对这种太阳能电池和最近生产的其他太阳能电池的测量结果都在独立测量的误差范围以内。这项研究的负责人、乌普萨拉大学太阳能电池技术教授玛丽卡-埃多夫（Marika Edoff）说：这项测量还将用于我们自己测量方法的内部校准。

  乌普萨拉大学材料科学与工程系教授兼太阳能电池技术部主任 Marika Edoff。资料来源：Mikael Wallerstedt

  此前的世界纪录是 23.35%（日本 Solar Frontier 公司），更早一些是 22.9%（德国 ZSW 公司）。乌普萨拉大学曾保持过这一纪录，第一次是在 20 世纪 90 年代的 Euro-CIS 研究合作项目中。

  我们还一度保持着串联原型的记录。Edoff 说：尽管我们保持电池记录已经有很长一段时间了，但我们往往只是落后于最佳结果，当然，还有许多相关方面需要仔细考虑，例如扩展到大规模工艺的潜力，在这方面我们从始至终走在前列。

  太阳能电池技术在全世界内快速地发展，根据国际能源机构（IEA）的数据，到 2022 年，太阳能发电占全球电力的比例将略高于 6%。晶体硅是太阳能电池最广泛使用的材料，目前最好的晶体硅太阳能电池组件可将 22% 以上的太阳光转化为电能，而且现代太阳能电池成本低、长期稳定。

  太阳能电池研究的一个目标是以合理的生产所带来的成本实现 30% 以上的效率。人们通常关注效率更高的串联太阳能电池，但迄今为止，这种电池的成本过高，无法大规模使用。

  23.64% 的世界纪录是由德国弗劳恩霍夫 ISE 独立研究所测得的。这篇学术论文对太阳能电池进行了全面的材料和电气分析，并将其与其他研究机构之前的同类太阳能电池记录进行了比较。

  图片显示的是薄膜太阳能电池活性层的横截面，总厚度不超过 3 微米。利用隆德 MAX IV 设施测量的纳米 XRF，可以高精度地测量太阳能电池中基体元素和微量元素（本例中为铷）的浓度。资料来源：Marika Edoff

  太阳能电池最重要的特性是能够吸收光线并将能量传输到电力负载。要做到这一点，材料一定要能吸收最佳部分的阳光，同时避免在太阳能电池内将能量转化为热量而造成浪费。

  CIGS 太阳能电池由一块普通窗玻璃制成的玻璃片组成，玻璃片上镀有几层不同的涂层，每一层都有特定的功能。吸收阳光的材料由铜、铟、镓和硒（因此缩写为 CIGS）组成，并添加了银和钠。这层材料被放置在太阳能电池中，位于金属钼背触点和透明前触点之间。为了使太阳能电池尽可能高效地分离电子，CIGS 层经过氟化铷处理。钠和铷这两种碱金属之间的平衡以及铜铟镓硒层的成分是影响转换效率的关键，即太阳能电池将整个太阳光谱转换为电能的比例。

  测量机构在来测试时，会使用在强度和光谱上都与太阳相似的过滤光来测量太阳能电池的效率。在测量过程中，太阳能电池保持在受控温度下，独立机构定期相互发送校准太阳能电池。要登记为世界纪录，一定要进行独立测量，在这种情况下，测量由弗劳恩霍夫 ISE 测量机构进行。

  我们的研究表明，CIGS 薄膜技术是一种具有竞争力的独立太阳能电池替代技术。该技术还具有可用于其他场合的特性，例如串联太阳能电池的底部电池，Edoff 说。

  为了进一步了解效率与太阳能电池结构之间的相关性，我们采用了几种先进的测量方法：在隆德的 MAX IV 设备上通过纳米 XRF（X 射线荧光光谱）对太阳能电池的材料来了表征，并在此基础上进行了细致的成分分析。高分辨率的透射电子显微镜（TEM）用于研究太阳能电池的横截面，包括成分与深度的函数关系、晶粒如何形成以及各层之间的界面。通过光致发光，研究了太阳能电池在激光激发后发出的光的光谱，以此了解太阳能电池对内部电子的处理情况。与发光微弱的太阳能电池相比，发光明亮的太阳能电池内部热量损失较少。最后，还利用电学测量方法分析了铜铟镓硒材料的掺杂情况。

  我们现在保持着世界纪录，这对乌普萨拉大学和 First Solar 欧洲技术中心来说都意义重大。对于以高可靠性著称的铜铟镓硒技术来说，创下世界纪录也代表着它可以为串联太阳能电池等新应用提供可行的替代方案。这对我们在世界各地的研究同事来说很重要。我们大家都希望对材料和电气性能的分析将为进一步提升性能奠定基础，Edoff 总结道。