串联型太阳能:太阳能技术中新兴研究方向

太阳能渐渐进入千家万户，作用很大，太阳能不仅为植物生长提供光源，而且也能为人类提供能源，现在的光伏发电就是很大程度上利用了太阳能。目前无机材料硅晶太阳能为最常见、成本效益比最高的太阳光电技术，只是由于其转换效率已达到15-22%，近期效率提升幅度也不大、预期未来难以再度突破，科学家一直在寻找其他材料，或是运用另一种制程，希望让太阳光电技术迎来新的成长机遇。

让硅与其他材料合作其中「串联型太阳能」就是太阳能技术中新兴研究方向，像是澳洲国立大学与美国加州理工学院近期已携手合作，运用全新的方式将硅与太阳光电后起之秀钙钛矿组合在一起，澳洲国立大学研究员Heping Shen博士表示，若想要把两种太阳能电池组合在一起时，通常中间还需要一道「连接桥梁」，让电荷可以在材料间移动。

团队认为或许可将这条连接桥梁拆除，虽然桥梁可以达到稳定结构的作用，但这样一来会增加电池的能源消耗、提升制造过程的难易度，论文共同作者Daniel Jacobs博士指出，对此，团队已研发出新型电池串联方法，不需要中间层就可以让电荷顺利游移，目前他们也已将转换效率提升到24%，未来有望突破至30%。

而该团队并非世界唯一一个研究硅─钙钛矿的团队，美国布朗大学与内布拉斯加大学林肯分校(UNL)年初时也已着手研发类似技术，更希望未来可藉由设计多层、不同能隙的材料来提升光电转换效率。瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)与瑞士电子和微技术中心(CSEM)的科学家则在6月时成功将硅与钙钛矿相结合，两种太阳能材料能截长补短，钙钛矿负责将绿光、蓝光转换为电能，硅则负责红光、近红外光，最终将转换效率提升到25.2%。

材料的多种排列组合太阳能材料百百种，除了已经达到商业化的硅晶太阳能、薄膜太阳能电池，还有钙钛矿与有机等材料可供科学家选择，因此随着科学家愈加看重串联型太阳能电池，也有越来越多有趣的材料排列组合登场。

像是看好高转换效率铜铟镓硒(CIGS)太阳能与钙钛矿的低成本易制造优势，加州大学洛杉矶分校9月时运用这两种材料，打造出转换效率达22.4%的钙钛矿─CIGS太阳能电池，比利时欧洲跨校际微电子研究中心(IMEC)也不落人后，9月中旬进一步将转换效率突破至24.6%。

加州大学洛杉矶分校教授杨阳(Yang Yang)表示，利用串联太阳能电池设计，同一个电池可吸收两种不同光谱范围的能量，与单单一层CIGS太阳能相比，这种方式可大幅增加光电转换效率。IMEC也指出，上层的钙钛矿太阳能板能吸收大部分可见光，底下的CIGS电池则可吸收近红外光，这让太阳能转换效率表现远比单一的钙钛矿与CIGS电池还要好。

除了钙钛矿─CIGS太阳能组合之外，也有科学家瞄准具有可大量制造、价格低廉、材地柔软可挠曲等特性的有机太阳能，制造出串联型有机太阳能电池。比如美国密西根大学4月研发出转换效率达15%、寿命长达20年的有机太阳能电池，不仅已达到商业化标准，更有机会让太阳能成本再次下降。

中国南开大学科学家也在8月时将串联型有机太阳能电池转换效率提升到17%，透过不同有机材料让光吸收范围相互互补，其中前侧材料可吸收300-720nm波长的光，另一材料则负责720-1,000nm，稳定性也大幅提升，166天初步测验后电池效率仅下降4%左右。

相信在未来为了让太阳能转换效率更上一层楼、进一步提升太阳能成本效益比，众多科学家正努力尝试新技术与新材料，虽然这些都还是实验数据，实际效率与寿命尚未经过户外环境的严苛考验，但随着时间流逝与技术愈加成熟，未来新兴串联型太阳能技术或许有机会跨出实验室。如果某一天人们能高效利用太阳能，相信能解决很大的能源问题，毕竟太阳能是符合可持续发展战略的，能保证人类的永续发展，需要我们科研人员更加努力。