NREL概述了串联电池的前进方向

研究人员表示，串联技术将帮助我们在2050年达到75太瓦的光伏发电量，但行业合作将是关键
美国能源部国家可再生能源实验室（NREL）的研究人员已经制定了一份路线图，说明如何将串联太阳能电池（特别是那些结合了不同光伏技术的太阳能电池）推向商业化。
正如研究人员在最近发表在《焦耳》杂志上的一篇文章中所指出的那样，除了目前安装的1太瓦的容量外，全球必须增加更多的太阳能。由于人口增长和所有能源部门的电气化程度提高，专家预测到2050年，世界将需要75太瓦的光伏发电。
目前使用的绝大多数太阳能组件都依赖于单结，它只能吸收太阳光谱的一小部分，因此效率有限。串联太阳能电池具有达到更高效率的潜力。
期刊文章《串联光伏路线图》的第一作者柯斯汀·阿尔贝里表示，高效III-V多结太阳能电池已经存在了几十年，但规模较小，主要用于卫星供电等太空应用。阿尔贝里是NREL材料科学中心的主任，他说，大型制造商和初创公司正在开发使用更具可扩展性的光伏技术的较新型混合串联模块，“但我们不知道有任何正在大规模生产和销售的模块。”
Alberi和她的17位合著者来自能源部资助的实验室，他们正试图激励研究人员和制造商合作，以在串联式大规模生产方面取得快速进展。
他们详细说明了必须取得的进展：
- 将太阳能电池的效率提高到记录水平，然后将这些效率转化为模块和大批量制造
- 识别并解决可靠性和耐用性问题
- 制定混合串联光伏组件和系统的设计，以加快部署。
路线图侧重于混合串联，其中两种或多种不同的光伏技术相结合，以提供最大的效率。这些材料分为两组：最适合作为顶部电池的材料和最适合作为底部电池的材料。两个结之间的正确匹配增加了吸收并转化为电力的阳光量。例如，由金属卤化物钙钛矿制成的顶部太阳能电池可以提高单结硅太阳能电池的性能。
“从成本和效率的角度来看，金属卤化物钙钛矿被视为混合串联的初始推动者，”阿尔贝里说。“它们作为顶部电池提供了足够高的效率，并且成本效益也足以使串联电池的效率比任何一种技术的单结电池都要高得多。”
串联路线图主张考虑其他材料作为顶级电池的潜力。砷化镓和磷化铟镓都是候选材料，因为它们具有最高效率的单结器件。然而，它们使用的主要缺点是制造成本高昂。国家可再生能源实验室的研究人员一直在研究更便宜的制造方法。
研究人员表示，底部电池的明显材料是硅，硅在太阳能行业中占主导地位。由顶部金属卤化物钙钛矿电池和底部硅电池组成的串联电池目前保持着效率记录。
国家可再生能源实验室高效晶体光伏小组的科学家、路线图论文的合著者艾米丽·沃伦说，串联带来了额外的挑战。
“对于单结光伏材料，模块是通过横向串联单个电池制成的，”她说。“对于串联，有多种方法可以将电池相互连接，这给串联模块的设计增加了另一层复杂性。”
只有三种单结光伏技术成功实现了至少十亿瓦的产量。除了硅，由CIGS和CdTe制成的太阳能电池也取得了进展。CIGS适用于底部电池，CdTe适用于顶部电池。
研究人员表示，硅和由CIGS和CdTe制成的薄膜电池在商业化轨迹上的对比，为建立千兆瓦级串联技术必须克服的挑战提供了洞察力。
硅光伏得益于半导体界的大量投资，从而实现了知识共享和标准化流程。然而，专门从事CIGS和CdTe的公司却小心翼翼地保护着他们的工艺和沉积技术，因为他们试图在硅光伏方面取得进展。
路线图提议合作，例如类似于为促进钙钛矿和CdTe太阳能电池板制造而成立的财团。根据路线图文件，这将使行业和研究人员聚集在一起，“讨论共同问题并分享经验教训”。一些财团已经在研究基于钙钛矿的串联电池。
“事实证明，现有的联盟在单结光伏技术的发展和商业化方面非常有帮助，因为它们可以帮助信息共享，倡导有助于整个领域的跨领域研究，并促使更多的利益相关者共同努力解决影响整个领域的问题，”阿尔贝里说。“我们认为联盟可以在混合串联的发展中发挥类似的作用，特别是因为我们仍处于这项技术的商业化早期阶段。”