更强、更韧、更多元：新一代太阳能技术正在崛起

随着美国太阳能投资与装机量创下历史新高，一系列技术革新正蓄势待发，有望重塑光伏发电的产能、部署场景与使用寿命。

“一旦出现好点子，似乎就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、研究工程师Chris Deline表示。

Deline指出，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。“而n型硅领域的新兴技术似乎也准备复制这一路径”，有望取代PERC成为主流。

例如，行业正开始从p型PERC向n型隧穿氧化层钝化接触（TOPCon）电池过渡。n型电池采用磷等化学物质对硅片进行负掺杂，而p型电池为正掺杂。掺杂是指在半导体中添加杂质以提升其导电能力的过程。

在太阳能技术发展初期，应用局限于卫星等太空场景，p型电池在抗辐射和抗衰减方面优于n型，因此早期占据更大市场份额，并在地面光伏兴起后延续主导地位——尽管n型电池在效率与耐用性上更胜一筹，更适合公用事业等非太空应用。

如今，n型电池正逐步扩大版图。

“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，效率也会持续攀升。”

PERC在2022年仍主导光伏组件市场，但专家预测其将重蹈Al-BSF的覆辙。德国工业协会VDMA在4月报告中预测，TOPCon的全球市场份额将从2022年的约10%增至未来十年内的60%，并在2025年后成为主导电池类型。

“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太阳能技术。”First Solar首席技术官Markus Gloeckler表示。

各类组件中，太阳能建设平均成本（美元/千瓦）自2013年以来已下降数千美元，2021年降至每千瓦1,561美元，较上年下降6%。美国能源信息署（EIA）在10月分析中指出。

太阳能电池由什么构成？

尽管Gloeckler看好TOPCon前景，但First Solar仍“坚定”押注碲化镉（CdTe）薄膜技术——这是公用事业规模部署中最主流的组件技术，而TOPCon等晶硅组件仍占据整体主导。

该公司计划于2024年下半年投产其专有的铜还原技术CuRe。Gloeckler称，凭借“预期更低的高温高湿衰减率”，CuRe“将能与TOPCon有力竞争”。

Gloeckler还表示，公司对钙钛矿太阳能电池的潜力持乐观态度，这类电池“本质上是薄膜半导体”。

钙钛矿电池近期在效率上取得突破，但由于化学性质导致稳定性问题，商业化大规模部署仍具挑战。

与硅相比，钙钛矿“相对廉价”，Deline说，“但根本问题在于，它太容易制造，反而难以保持稳定。”

First Solar及其竞争对手韩华Qcells今年均投资了钙钛矿叠层电池技术。First Solar收购了瑞典叠层电池初创公司Evolar，Qcells则宣布投资1亿美元建设叠层电池生产线。

据NREL介绍，叠层电池“提供了超越单结设计的更高组件效率路径”。多结（即半导体材料层间的边界）使电池能够突破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。

但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，采用砷化镓电池实现27%的效率。实验室在新闻稿中表示，研究人员优化了电池顶层结构的掺杂与设计，以最小化缺陷的负面影响。

双面性（即电池从两侧受光均能发电的能力）是另一项前沿创新。Deline观察到的行业重要趋势是“组件越来越大”，这有助于更充分地利用双面发电增益。

“现在可以买到630瓦、650瓦的组件，这仅仅是因为组件尺寸巨大，”他说，“很多情况下，组件正面和背面都采用双层玻璃”，背面采用“透明玻璃而非白色聚合物背板”，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，光伏组件制造与部署的其他创新领域包括不同硅锭和硅片类型、切片技术、电池结构或组件架构，以及更廉价、更简单、更耐用的支架系统。

“现在是参与太阳能技术的好时机，”Deline说，“创新层出不穷，新投资不断涌入。”

太阳能电池板能部署在哪里？

在电池技术快速革新的同时，研究人员也在拓展部署方式与场景。

美国能源部（DOE）预测，为达成脱碳目标，美国到2035年需安装1太瓦（TW）太阳能装机容量，这要求“更多样化的选址配置”。

爱达荷国家实验室（INL）清洁能源工程师Juan Gallego-Calderon表示，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，装机容量限制在约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，旨在推动漂浮式光伏在联邦实体（如美国陆军工程兵团、垦务局和联邦能源监管委员会）控制的水库中部署。

“这些水库之所以没有部署，只是因为法规尚未到位，”他说，“我们正在研究监管和环境路径，并开发包含环境建模的技术经济评估工具。”

美国最大的漂浮式光伏项目是位于新泽西州Short Hills的Canoe Brook水库8.9兆瓦阵列，由公用事业公司新泽西资源公司（New Jersey Resources）所有并运营。

在联邦水库部署漂浮式光伏有助于避免土地使用冲突（例如将光伏电站视为“眼中钉”的反对声音），且在水电水库中建设混合系统可减少弃光——NREL在2022年报告中指出。

“我们正在研究一个拟建的抽水蓄能电站，该公司正与设计方合作，计划在上水库部署漂浮式光伏系统，与抽水蓄能协同运行，”Gallego-Calderon说，“他们正在准备提交给FERC的许可证申请，事情正在推进。”

可持续回收是否可行？

INL与First Solar还合作开发更可持续的CdTe组件回收工艺，参与由堪萨斯大学领导的项目。

“约一半的公用事业规模太阳能项目使用碲基薄膜组件，”INL化学系统小组组长Daniel Ginosar说，“这些组件的寿命通常为二十年，之后效率开始下降。”

供应链问题同样存在。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。

“我们希望了解如何回收碲以用于新组件，同时减少退役系统产生的废物量，”Ginosar说。目前，CdTe组件回收“并非完整工艺”。

现有技术是将组件粉碎成粉末，尝试破坏聚合物键，然后浸出镉和碲。

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，从而更易回收镉和碲。

Ginosar预计未来10至20年太阳能装机将“大幅”增长，但短期内退役组件不足以满足新组件生产所需材料。

“但到2050年，那些新组件将达到寿命终点，届时回收将发挥重大作用，”他说。

该项目目前仅针对CdTe组件，但Ginosar表示，研究人员正计划将方法扩展到“所有不同类型”的组件，包括薄膜和硅基组件。

“我们才刚刚起步，资金刚刚到位，”他说，“短期内很难靠回收解决问题。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。”