上个月，科罗拉多州Golden国家可再生能源实验室的一位研究人员将一个邮票大小的太阳能电池放在托盘上，放在高强度脉冲太阳模拟器下。 模拟器闪烁着2.5毫秒的光脉冲，而19反射镜将光子反射到单元上。 再过几毫秒，数据就通过循环嵌套的电线流入NREL计算机。 研究人员对这些数字进行了调整和修正，设备性能主管Keith Emery对他们进行了验证：创造了太阳能光伏效率的新的世界纪录。
在光伏高技术世界的高风险中，得分保持为原始太阳能击中转化为电的电池的百分比。 由于他的实验室是美国唯一获得国际电工委员会认证的用于测试太阳能电池效率的实验室，埃默里是美国非官方的太阳能记分员。
我们正处于文艺复兴时期的光伏研究，在这个时期不断的创新正在推动各种类型太阳能电池的效率 - 从最传统的晶体硅到薄膜碲化镉，甚至是新的发现，例如钙钛矿细胞。 世界纪录正以惊人的速度被打破，而这位最新记录制定者背后的研究人员知道要比庆祝太久。
太阳圣杯：电网奇偶
几乎所有光伏行业的人们 - 即使是那些被最新的创新留下的东西 - 也同样认为，这种不变的一举一动是非常好的。 对于太阳能行业来说，效率等级远不止于吹嘘研究资助提案的权利或饲料。 它们是接近“电网平价”的关键 - 电力光伏发电的成本与煤炭和天然气工厂的成本相同（或低于）。
“当你能够开发出具有超高效率的太阳能电池时，你就可以全面节省成本，”伊利诺伊大学厄巴纳香槟分校的物理学家约翰·罗杰斯说，他是光伏研究领域广受尊敬的领导者。 “你减少了构建的模块数量。您可以降低安装成本。维护成本下降。你需要的土地数量减少了。”
太阳能领域的经验法则是，当电力生产成本达到每瓦特1时，光伏将直接与煤炭和天然气竞争。“基本假设是，当您将某些东西降低到电网平价时，该技术的接受程度要好得多，“拉莫兹·拉梅什（Ramamoorthy Ramesh）说 美国能源部的SunShot计划该项目在2011上启动，其任务是降低太阳能发电成本，以达到或超过化石燃料的电力成本。
太阳能领域的经验法则是，当电力生产成本达到每瓦特1时，光伏将能够直接与煤和天然气竞争。 在SunShot开始的时候，太阳能光伏发电的成本是每瓦特5。 三年来，Ramesh报告的成本已经降到每瓦约$ 2.80。
大多数低成本的节约成果已经被挑选出来，然而，太多的中国太阳能电池板已经成为太阳能支付能力的重要推动力。 要刮掉下一个$ 1.80，生产效率更高的细胞，并将这些发现从实验室转移到现实世界将是至关重要的。
Ramesh说：“有了光伏发电，我们知道该做什么。 “我们需要降低制造成本，提高效率。”
太阳能提供了许多提高效率的机会
提高效率的机会很多。 一个重要的焦点是用于捕获光能并将其转化为电流的半导体材料。 用作半导体的每种材料在效率方面都有其独特的优势和局限性，通常是因为每种材料都能吸收某些自然光谱的光谱 - 所以搜索可以不断找到可以做得更好的材料。
为了使效率最大化，工程师们不断修补这些微观细胞的各个方面。其他因素也会影响细胞的最终效率：半导体材料随着时间的推移如何退化，细胞的结构如何吸收，如何恰当电极捕获半导体产生的电流，并将其转化为电力的生产用途。 为了最大限度地提高效率，工程师不断修改这些微观单元的各个方面 - 改变化学和设计，最终产生最佳的电流和电压。
由于不同材料和设计的不同潜在效率，对于某一类别的光伏电池，记录设定效率得分可能远高于另一类。 目前世界上最好的薄膜太阳能电池最高可达23％，而最好的硅基电池则达到了26的百分比，最好的多结电池（使用各种半导体堆叠在一起）正在清除44百分比。
但多结电池生产成本高得多，而且不能真正用于广泛的屋顶设置。 因此，比25百分比效率更好的硅电池，与40上的多结电池一样令人兴奋和有希望。
我们可以期待太阳能效率持续提高吗？
当你在太阳能电池板上画一个太阳能电池板的时候 - 在屋顶上或者在一个大型的光伏电站里 - 你可能已经有了一个晶体硅的形象。 数十年来，硅一直是全球太阳能电池的主力，迄今为止，太阳能电池最常用的半导体。 NREL公司可靠性部门经理Sarah Kurtz表示：“硅已经在80到90市场的20市场中占有一席之地。
几十年来，硅电池的效率稳步提高，但是速度缓慢，普遍的态度是没有太多可以被硅哄骗的效率。 直到最近。
一家新贵硅业公司TetraSun，拥有NREL研究人员的热情和竞争对手的看法。 通过在他们的耳朵上转换一些硅约定，TetraSun在21的几个月的工作中记录了18的效率。 虽然这听起来可能不是很多，但它已经在典型的丝网印刷硅单元上 - 在屋顶上看到最常见的 - 已经超过了一些严重的百分点。
TetraSun秘密的一部分是一些臭名昭着的表演运动员：兴奋剂。 所有的硅晶片都被掺杂（化学处理），但是TetraSun所谓的“N型”电池掺杂了磷。 这样可以防止电池遭受与传统的硼掺杂的“P型”晶片相同的光致衰退，从而有助于将效率更高地保持在面板的使用寿命中。
随着公司期望建造更大的太阳能光伏设施，用价格昂贵的部件替代廉价材料的这种努力变得越来越重要。
TetraSun的N型电池也是双面的，具有一些巧妙的架构，可以让半导体捕获从模块底部反弹的间接阳光。 而且，除此之外，TetraSun还替换了典型硅光伏面板前面的银色网格，将电流从电池漏出，用于铜电极。 事实并非如此简单 - 数月甚至数月，TetraSun的工程师与NREL的专家一起研究如何让铜这种相当不羁的材料表现出色。 最后，铜粘在地层上，网格线约为人发宽度的二分之一。
NREL分析显微镜主管Mowafak Al-Jassim公司希望建造更大型的太阳能光伏设备，这种替代价格昂贵的部件的廉价材料的努力变得越来越重要 告诉SolarReviews 去年十一月。
截至2月份，配备TetraSun铜线电池的面板正在吸引真实付费客户的屋顶上的光线。 该公司被商业太阳能公司的大型企业First Solar收购，该公司立即推出了TetraSun的产品作为其首个屋顶产品线。
潜在的新星：钙钛矿太阳能电池
如果硅研究人员试图教一个老狗新的技巧，一种新的称为钙钛矿的太阳能材料是一个新的异国犬类品种，正在转动头和下巴。 钙钛矿电池（以乌拉尔山脉的一种矿物命名）正以比光伏世界所见过的任何一种方式都更快地提高效率图表。
直到2009，钙钛矿甚至被认为是太阳能电池中的半导体。 当时，一位日本科学家试验了3.8的效率。 上个月，加州大学洛杉矶分校的一个研究小组报告了19.3的百分比。
钙钛矿电池“是染料敏化细胞的一个变种，已经进行了相当长一段时间，”Kurtz解释道，他指的是一种新兴的细胞类型，其实质上用吸光的有机染料取代了固态半导体晶片。 “就在去年，研究人员想出了一种能够提高效率的材料组合。”从那以后，赛事已经开始了。
钙钛矿最大的优点是与它合作是多么容易。 它可以生长在液体中，基本上印刷在基材上，从而使得简单而便宜的太阳能电池生产很容易从高科技研究实验室转移到工厂。
一个问题是：表现最好的钙钛矿电池与铅混合，这可能在实验室的安全范围内工作，但是没有人会把它放在屋顶上。 然而在过去的一个月里，两个独立的研究团队已经发表了钙钛矿与锡混合早期实验的有希望的结果。 锡不仅比铅更安全，更环保，而且更便宜。
西北大学的化学家Mercouri Kanatzidis说：“锡是一种非常可行的材料，我们已经证明这种材料确实是一种高效的太阳能电池。 上个月的声明 宣布他的团队的调查结果。 锡和铅在元素周期表中属于同一组，所以我们期望类似的结果。“
当然，钙钛矿太阳能电池是否成功是一个悬而未决的问题。 这些细胞还没有在实际的玻璃和金属模块中证明它们的可行性，整个领域太年轻了，以至于没有任何意识到它们随着时间的推移会有多好。
堆叠电池是另一个突破
对于罗杰斯来说，堆叠电池是突破传统光伏效率极限的方法。 罗杰斯解释说，任何给定的太阳能电池材料（如硅或碲化镉，最受欢迎的薄膜形式）都能吸收太阳光谱的某些有限部分。 因为它们只能被调谐到这些波长，所以所有的基本太阳能电池都有一个理论上的限制。 （晶体硅的29百分比在本领域称为Shockley-Queisser极限。）
罗杰斯的策略是堆叠不同的材料 - 每一层都有不同的光谱。“提高效率的方法是设计太阳能电池，这种太阳能电池能够在与来自太阳的入射光子相关的全光谱范围内工作，这是一个相当广泛的范围，“罗杰斯说。
罗杰斯的策略是堆叠不同的材料 - 每一层拿起不同的光谱。 他解释说：“你可以开发出一种太阳能电池，在绿色环境下工作得非常好，但是在红色环境下工作很糟糕，但是在另一个能够有效运作的红色电池上堆叠。”
由此产生的半导体堆栈很小 - 每平方毫米不到一平方毫米 - 但搁在它们上面的玻璃面板包含透镜，可以将太阳光直接聚焦到每个堆叠上，就像一个坏孩子用放大镜tor bug一个小虫子。 碰到面板的每一点光线都会遇到一小撮细胞。
微型工程的这一壮举 - 将残酷过于简单化，涉及到在不同衬底上生长每一层，蚀刻掉所需的电池，将半导体“橡胶冲压”到电池本身，然后将它们堆叠四层 - 实际上是有效的。 罗杰斯团队刚刚宣布了一个四层的单元，在42.5实验室里效率为百分之百。
罗杰斯现在正在和一家名为Semprius的北卡罗来纳州公司合作，将像他这样的多结电池放入现场就绪模块。 即使是所有的配件，Semprius模块都达到了35的效率，这是“绝对是表现最好的模块”，Rogers说。 “它甚至不接近”。
房主可能不会向Semprius订购，因为这些模块不适用于屋顶。 它们“最适合公用事业规模的太阳能发电场，或者您可以想象它们安装在工业园区和数据农场中。 我们谈论的是超低成本，大规模的发电，“罗杰斯说。
低成本实现电网平价？ 德国太阳能巨头西门子认为是这样。 该公司是Semprius公司的早期投资者，罗杰斯公司将其评估为“最鼓舞人心的”。
“他们看了看，说这可能比煤更便宜。”
然而，为了追求更好的光电性质，这并不是故事的结束：罗杰斯回到实验室说，只要做一些小的调整，他的团队就能够获得超过50的效率等级。 “没有另一个突破，我们可以走很长的路。”
敬请关注。
这篇文章最初出现在 Ensia
关于作者
本杰维是一位作家和编辑，涉及气候，能源和环境。 他经常写作 国家地理新闻， 在地球上及 DeSmogBlog。 他最近与Focus the Nation合作发表了一篇文章 能源101底漆。 一个自行车爱好者，本已遍布美国和欧洲大部分地区。
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