什么是串联太阳能电池？

什么是串联太阳能电池？

2024/07/24

增加可再生能源的引入对于实现 2050 年碳中和的目标至关重要。其中的核心是太阳能发电。截至2022年底，日本太阳能发电能力将仅次于中国和美国位居世界第三。然而，目前太阳能电池板的支柱硅太阳能电池无法将所有波长的太阳光转化为电能，需要提高发电效率。因此，通过连接其他材料制成的太阳能电池，可以在同一面积内产生更多电力的串联太阳能电池技术受到关注。我们向零排放国际研究中心（GZR）多结太阳能电池研究组组长菅谷武吉（Takeyoshi Sugaya）询问了叠层太阳能电池的发展趋势。

什么是串联太阳能电池？

堆叠硅太阳能电池、化合物太阳能电池和钙钛矿

　串联太阳能电池中的“tandem”一词最初源自一辆马车，其中两匹马垂直连接而不是并排连接，从那里开始，“tandem”一词也指两座自行车和摩托车。串联太阳能电池是由两种或多种不同材料串联而成的太阳能电池，通过将带隙相对较小的材料（例如硅或CIS（铜-铟-硒化合物））与大带隙钙钛矿或III-V族化合物半导体堆叠在一起制成，以提高效率。除了硅和化合物半导体或钙钛矿等两层结构外，还对具有三层、四层甚至六层串联的III-V族化合物半导体太阳能电池进行研究，以利用广泛的太阳光波长。

　一般的太阳能电池都是由硅制成的。然而，在太阳光的广泛波长范围内，硅能够有效地将光转化为电的范围是有限的，并且这些波长之外的光被吸收为热，或者部分被传输。如果我们能够捕获这些未使用的光波长并将其转化为电能，我们就可以有效地利用这些光量并提高转换效率。因此，人们正在努力将太阳能电池与钙钛矿（可以吸收在硅中变热的短波长光）和化合物半导体（由元素周期表中的第III族和第V族组成）结合起来。 III-V族化合物半导体根据材料的不同可以具有不同的带隙，因此可以将磷化铟镓（InGaP）和砷化镓（GaAs）连接在硅顶部，并且也可以使用带隙较小的砷化铟镓（InGaAs）来代替硅。

耐恶劣环境的III-V族化合物半导体叠层太阳能电池

　III-V族化合物半导体叠层太阳能电池是由元素周期表第III族（第13族）和第V族（第15族）元素组合而成的太阳能电池，其最大优点是转换效率高、耐久性优异。它们安装在在恶劣环境下使用的人造卫星和行星探测器上。 2024年1月成功登陆月球的日本首个小型登月演示车SLIM也配备了III-V族太阳能电池而受到关注。该太阳能电池的结构由三层组成：顶部电池为磷化铟镓（InGaP），中间电池为砷化镓（GaAs），底部电池为砷化铟镓（InGaAs）。通过这种结构，我们创造了模块转换效率327%的世界纪录。

开发钙钛矿串联太阳能电池的竞争正在升温

目前作为太阳能电池原材料而备受关注的钙钛矿晶体由铅、甲胺、碘等元素组成。转换效率逐年提高，目前约为26%，使得制造轻质、可弯曲的薄膜太阳能电池成为可能。由于它们比硅太阳能电池更轻，硅太阳能电池由玻璃等硬硅晶体制成，因此开发它们的目的是安装在负载能力有限的建筑物屋顶和汽车屋顶上。此外，太阳能电池可以通过简单地将液体钙钛矿应用到薄膜上来制造，因此预计成本也较低。 （AIST杂志什么是钙钛矿太阳能电池？）

　通过将钙钛矿太阳能电池与硅太阳能电池连接形成串联型，可以将其添加到普通硅太阳能电池中来增加发电量。因此，开发将硅太阳能电池和钙钛矿太阳能电池结合在一起的串联太阳能电池的竞争正在全球范围内升温。

　然而，使用钙钛矿的串联太阳能电池的耐用性比单独由硅制成的太阳能电池低，因此它们的缺点是不适合作为串联型长期使用。目前世界各地都在进行提高耐久性的研究，其开发将是实际应用的关键。

III-V族叠层太阳能电池的普及问题

材料和制造成本高是最大的问题

　基于III-V族化合物半导体的串联太阳能电池已被证明具有高度耐用性和可靠性，已在人造卫星和行星探测器中投入实际应用。然而，扩大可再生能源的需求与空间开发应用的需求截然相反，在太空开发应用中，即使成本高昂，性能也很重要。目前，硅太阳能电池的价格因大规模生产而有所下降，并且其在企业和家庭中的应用正在加速。

　成本是III-V族化合物半导体叠层太阳能电池广泛使用的关键。成本难以稳定，因为我们使用稀有金属铟和镓，而镓由于生产国的出口限制而面临难以采购的风险。此外，使用这些金属制造高质量的单晶需要极其复杂的技术，这也是导致成本高昂的一个因素。为此，即使不考虑成本，也仅限于需要耐用性、可靠性、超高效率等性能的航天开发应用。

实际应用中的预期是什么

　据研究，日本约70%的乘用车每天行驶20至30公里。根据汽车厂商的研究，电动汽车要想在晴天单日充电行驶超过50公里，必须配备1kW以上的太阳能电池组件，且转换效率超过35%。如果能够实现这一点，大多数日本汽车用户将能够仅依靠太阳能行驶。

然而，为了在安装在汽车中的太阳能电池模块中真正实现35%的转换效率，每个电池需要具有至少38%的转换效率。因此，如果可以使用超高效率III-V族化合物半导体太阳能电池，就可以实现足以满足电动汽车正常使用的转换效率和耐用性方面的规格。

AIST 的举措和未来前景

　如果能够以低成本实现超高效率串联太阳能电池，它们不仅可以用于太空探索，还可以利用其性能在地球上进行各种应用。与安装在房屋和仓库屋顶上的仅由硅制成的太阳能电池相比，它们不可避免地更昂贵，但预计将安装在电动汽车中，并且目前正在进行研究和开发。

　AIST 正在进行技术开发，以实现低成本制造。我们使用一种称为氢化物气相外延的方法，该方法使用廉价的金属氯化物高速生长晶体以降低成本，并且我们正在开发通过剥离形成衬底的 GaAs 层来重复使用昂贵的 GaAs 衬底的技术。我们还开发了一种独特的“智能堆叠技术”，可以排列金属纳米粒子并连接每个太阳能电池层，以创建高效的太阳能电池。

　全球范围内参与开发采用III-V族化合物半导体太阳能电池的叠层太阳能电池的公司和研究机构数量有限。此外，AIST的另一个团队也在致力于开发串联钙钛矿太阳能电池、提高其性能并评估其性能。

　我们拥有多个团队对各种类型的太阳能电池进行研发，这是其他公司或研究机构所没有的特点。我们将推进各项前沿研究，推动高效叠层太阳能电池的实际应用，使其价格更便宜、使用更方便。