在美国太阳能投资与装机量屡创新高的背景下，一系列技术突破正酝酿着改变光伏的发电能力、部署范围与使用寿命。从电池结构到系统集成，从材料科学到回收工艺，新一代太阳能技术正在多个维度加速落地。

“当一个好点子出现时，它似乎能迅速在整个行业推广开来。”美国国家可再生能源实验室（NREL）光伏现场性能小组负责人Chris Deline表示。过去五年间，行业已从铝背场（Al-BSF）电池全面转向钝化发射极背面接触（PERC）电池。Deline指出，n型硅领域的新兴技术正蓄势待发，有望复制这一替代路径，逐步取代PERC。

以隧道氧化物钝化接触（TOPCon）电池为例，行业正从p型PERC向n型TOPCon过渡。n型电池采用磷等化学物质进行负掺杂，而p型电池为正掺杂——掺杂即向半导体中添加杂质以提升导电能力。在光伏技术早期，应用场景局限于卫星等太空领域，p型电池因在太空辐射与衰减环境中表现更稳定而占据先机，这一优势延续至地面电站时代。尽管n型电池在效率与耐久性上更胜一筹，但直到近年才逐渐获得市场青睐。

The new set of solar array panels deployed on the Hubble Space Telescope (HST) is backdropped against the blackness of space and a cloud-covered area on Earth.
Solar panels can be seen on the Hubble Space Telescope in a Dec. 1, 1993 photograph.
Space Frontiers via Getty Images

“这将是一次重大转型，”Deline说，“就像摩尔定律推动处理器速度不断提升一样，光伏效率也将持续攀升。”2022年PERC仍主导市场，但专家预测其将重蹈Al-BSF覆辙。德国工业协会VDMA在4月报告中预测，TOPCon市场份额将从2022年的约10%增至未来十年内的60%，并在2025年后成为主流电池类型。

“业界普遍认为TOPCon将快速提升市场份额，并在不远的将来主导晶硅光伏技术。”First Solar首席技术官Markus Gloeckler表示。

从成本看，各类面板的太阳能建设平均每千瓦成本自2013年以来已下降数千美元，2021年降至每千瓦1561美元，降幅6%——美国能源信息署（EIA）在10月分析中如此指出。

太阳能电池的构成与演进

尽管Gloeckler看好TOPCon前景，但First Solar仍坚持碲化镉（CdTe）薄膜技术路线，该技术是公用事业级电站最常用的面板类型，而TOPCon等晶硅面板则继续占据整体主导地位。公司计划在2024年下半年投产其专有的铜还原技术CuRe，Gloeckler称该技术“预计将具有更低的衰减率”，在高温高湿环境下“能与TOPCon很好地竞争”。

Gloeckler还表示，公司对钙钛矿太阳能电池的潜力持乐观态度，称其“本质上是薄膜半导体”。钙钛矿电池近期在效率上取得突破，但因化学稳定性问题，商业化部署仍具挑战。相比之下，钙钛矿“相对便宜”，Deline说，“但正因其易制，反而难以保持稳定。”

Strain-engineered, single crystal thin film of perovskite grown on a series of substrates with varying compositions and lattice sizes.
Strain-engineered, single crystal thin film of perovskite grown on a series of substrates with varying compositions and lattice sizes.
The image by David Baillot/UC San Diego Jacobs School of Engineering is licensed under CC BY 2.0

今年，First Solar与其竞争对手Hanwha Qcells均投资于钙钛矿叠层电池技术。First Solar收购了瑞典初创公司Evolar（专注叠层电池），Qcells则宣布投资1亿美元建设叠层电池生产线。据NREL，叠层电池“为实现比单结设计更高的组件效率提供了路径”。多结结构允许电池突破Shockley-Queisser极限——该理论极限限制单结电池只能吸收照射其上不超过30%的太阳能。

然而，研究人员仍在追求单结电池的更高效率。NREL于10月25日宣布单结效率突破，使用砷化镓电池达到27%的效率。实验室在新闻稿中称，研究人员优化了电池顶层掺杂与结构，以最小化缺陷的负面影响。

双面发电能力是另一前沿创新。Deline观察到的显著趋势是“组件越来越大”，这有助于更易实现双面增益。“现在可以买到630瓦或650瓦的组件，仅仅因为组件尺寸巨大，”他说，“很多情况下，正面和背面都采用双层玻璃”，背面用“透明玻璃而非白色聚合物片”，从而提升双面增益。

美国能源部太阳能技术办公室副主任Garrett Nilsen表示，光伏制造与部署的其他创新领域包括不同锭料与硅片类型、切片技术、电池结构或组件架构，以及更便宜、更简单、更耐用的支架系统。“这是参与太阳能技术的好时机，”Deline说，“创新层出不穷，新投资源源不断。”

太阳能面板的部署空间拓展

在电池技术快速迭代的同时，研究人员也在探索如何扩大安装场景。美国能源部（DOE）预计，到2035年需安装1太瓦（TW）太阳能容量以实现脱碳目标，这要求“更多样化的选址配置”。

漂浮式太阳能在东南亚和欧洲相对常见，但在美国仅小规模部署，爱达荷国家实验室（INL）清洁能源工程师Juan Gallego-Calderon表示。现有项目规模约10兆瓦（MW），且多位于不受联邦监管的人工水体。Gallego-Calderon正参与INL项目，旨在加速在联邦机构（如美国陆军工程兵团、垦务局和联邦能源管理委员会FERC）控制的水库中部署漂浮光伏。“这些水库之所以没有部署，只是因为法规尚未到位，”他说，“我们正在研究监管与环境路径，并开发包含环境建模的技术经济评估工具。”

A 1.1 MW floating solar panel system, deployed on Big Muddy Lake at Camp Mackall in North Carolina in 2022.
A 1.1 MW floating solar panel system, deployed on Big Muddy Lake at Camp Mackall in North Carolina in 2022.
Melissa Sue Gerrits via Getty Images

美国最大的漂浮光伏项目是新泽西州Short Hills的Canoe Brook水库8.9兆瓦阵列，由公用事业公司New Jersey Resources拥有并运营。在联邦水库部署漂浮光伏有助于避免土地用途冲突（如反对光伏电站“碍眼”），且在水电水库中建设混合系统可减少弃光——NREL在2022年报告中如此发现。

“我们正在研究一个拟建的抽水蓄能电站，他们正与公司合作设计漂浮光伏系统，安装在上水库与抽水蓄能协同运行，”Gallego-Calderon说，“他们正在准备提交给FERC的许可证，事情正在推进。”

可持续回收是否可行？

INL与First Solar还合作开发CdTe面板的更可持续回收工艺，参与由堪萨斯大学领导的项目。“约一半的公用事业级太阳能项目使用碲基薄膜面板，”INL化学系统组组长Daniel Ginosar说，“其寿命通常为二十年，之后效率开始下降。”

供应链考量同样重要。随着美国大规模部署可再生能源，拜登政府已宣布减少对中国关键矿产（包括碲）依赖的目标。“我们想了解如何回收碲以用于新面板，同时减少退役系统产生的废物，”Ginosar说。目前，CdTe面板回收“并非完整流程”。现有技术包括将面板粉碎成粉末以破坏聚合物键，并尝试浸出镉和碲。研究人员提出替代方案：使用超声波混合器使液态丁烷等流体熔化聚合物键，从而更容易回收镉和碲。

Ginosar预计未来10至20年太阳能装机将“巨大”增长，但短期内退役面板不足以供应新面板所需材料。“但到2050年，那些新面板将到达寿命终点，那时回收将发挥重大作用。”该项目目前仅聚焦CdTe面板，但研究人员计划将方法扩展到“所有不同类型”的面板，包括薄膜和硅基。“我们才刚刚起步，资金刚刚到位，”他说，“短期内难以通过回收解决问题，但长期来看，我们可以实现相对可持续，有效回收碲，并完全消除从中国开采的需求。”