哈利·阿特沃特的新太阳能电池

太阳能产业亘古不变的命题是光伏效率。哈利*阿特沃特认为他的实验室将颠覆现有的太阳能产业。他们正在研制一种新的太阳能面板，是现有面板光电转换效率的两倍以上。这位加州理工大学的材料科学教授认为这完全可能。

他们在纳米尺度上研究如何“管理光”，设计更巧妙的架构，能使光伏电池的效率有一个质的飞跃。《麻省理工科技创业》杂志将这项技术列为“2013十项突破性技术”之一。

更有效地“管理光”

太阳能产生电力，是因为来自太阳的光子撞击电池内的半导体材料，光子的能量敲松材料中的电子，使电子自由流动。

传统的太阳能电池通常是100微米厚，或者更厚，由单一的半导体材料组成，通常是硅。材料只能吸收特定的一部分太阳光谱，通常也只能转换不到20%的能量为电能，绝大部分阳光的能量都以热能形式散失了。自1961年以来，科学家已经知道，在理想条件下，阳光照射到单个p-n结晶体太阳能电池上，产生的电能数量有一个限度。这个绝对限度，从理论上说大约是33.5%。这意味着，最多只有33.5%的入射光子能量可以被吸收，并转换成有用的电能。目前，Sunpower公司最好的单个p-n结晶体硅电池效率为24%，阿特沃特参与创办的公司阿尔塔设备(AltaDevices)的砷化镓太阳能电池最高的光电转化效率可达到27.6%。如果将半导体材料堆叠起来能使转化效率大幅提高。无限p-n结晶体太阳能电池在聚光下的理论效率极限是86%。现实中，SolarJunction公司的三节电池在947倍聚光下的光电转化效率为44%。但串联意味着在生产电池时，大量人力物力财力消耗在元件的叠加和制作缓冲层上，也意味着电池没法做得很薄。

为了降低成本，也因为用途更加广泛，研究人员一直在寻求制备更薄的太阳能电池的办法。“薄膜电池”能与建筑完美结合，也更容易集成在日常用品里，如背包、帐篷、救生衣，甚至电子产品里。然而，较薄的太阳能电池只能吸收较少的光线，意味着不能产生同样多的电力。阿特沃特和他的同事们想到了一个解决方案。

他们求助于一种奇特的光学效应，称为光学谐振(opticalresonance)。

正如无线电天线会谐振并吸收特定的无线电波，纳米光学天线也可以谐振并吸收特定波长的光。

他们利用这种效应设计了一种薄薄的纳米楔形结构，这个结构吸光能力很强，能吸收70%的广谱光线。它像一个棱镜，将太阳光分解成6-8个不同波长的部分，每一束光颜色各不相同，但每一束光都能被不同的半导体面板吸收。

他们利用这个理念设计出三种结构，上述这一种已经做出原型。太阳光经由一块金属板反射并从一个独特的角度进入这个特殊结构。它由一种透明绝缘材料制成。材料表面的涂层是多个薄膜太阳能电池，由6-8种不同的半导体材料组成。一旦光进入材料，它会遇到一系列很薄的光学过滤器。

每一个过滤器只会让特定颜色的光通过，被特定的电池吸收，剩下的依次过滤，依次吸收。

另两种尽管设计不同，基本的思想是一致的：那就是将传统的电池和光学技术结合起来，更有效地利用更广的光谱，减少能源浪费。

引入光学元件的未来光伏电池

阿特沃特说，目前还不清楚哪一种设计最好，他们设想中的这种太阳能电池的转换效率至少能达到50%，且利用光学元件把光聚拢，会减少半导体元件的使用，降低成本。但生产这种太阳能电池需要复杂、精确的工艺，他自己也认为，所增加的加工成本，可以和汽车LED灯相提并论。

去年底，他的课题组获得了来自美国能源部先进能源计划署(ARPA-E)的240万美元科研经费，用以开发超高光伏转化效率(50%-70%)的太阳能光伏系统。

《麻省理工科技创业》分析，通过设计提高光电转换效率是降低成本的最好途径。在过去几年里，太阳能电池板的价格直线下降，电池板的价格对降低整个系统的成本已经没有太大意义，太阳能系统的相关费用比如布线、土地、许可等费用现在反而是大头。提高每一个太阳能电池的效率意味着只需要比原来少的面板就能生产相同的电，硬件和安装成本即可大大降低。

太阳能产业目前进入了整合期，给新技术的更新换代创造了机遇。硅谷大佬们热衷的事业，电动汽车，民用航天器，五花八门的消费电子设备都对太阳能技术给予厚望。

经历了硅基电池、薄膜电池，新一代的太阳能技术，核心是聚光。现在已经商用的一种聚光技术电池，和阿特沃特的思路类似，通过采用跟踪太阳、聚光的技术，用镜子、反射镜或者透射镜把光聚拢起来，聚到某一块光电池上面，使发电量增加。这样可以用成本比较低廉的光学聚光元件，取代和减少使用成本更为昂贵的半导体材料。目前，效率最高的是砷化镓光电池。一家面向聚光光伏市场开发高效率多接面太阳能电池的硅谷公司SolarJunction与全球领先的半导体晶圆供应商IQE正在与欧洲航天局协商开发基于这种技术的下一代卫星太阳能电池。

阿特沃特参与创办的公司“阿尔塔设备”也是一家硅谷太阳能公司，一直在致力于提高电池板的光电转化效率，即便上述新技术商业化还有距离，他们也拥有全球能效最高、最薄且柔性最佳的砷化镓薄膜太阳能电池技术。因为这种太阳能薄膜可以无缝融入任何最终的电子产品，受到无人机、消费电子产品、汽车、遥勘等领域的青睐。目前，美军已经采用了阿尔塔设备公司的太阳能电池，这是世界上最轻且效率最高的，小巧的两张A4纸大小的电池板可以产生10瓦电力。

苹果也设想过柔性太阳能薄膜电池在移动设备上的应用。今年初，媒体报道苹果公司注册了一项太阳能多点触摸面板技术的专利，这种屏幕技术继承了太阳能电池面板、多点触摸传感器以及光线传感器，可以将太阳能转化为电能并通过手机内部的能源管理单元把产生的电能储存进电池，从而为移动设备提供更长的续航时间。

不过以目前的光电转化效率，依赖太阳能为手机充电效率太低，法国一家公司Wysips在2013年初推出的薄膜充电产品，光照10分钟只能接听2分钟电话。