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硅基光伏电池技术历经Al-BSF（1975）、PERC（2018）、TOPCon（2024）等代际迭代，效率从1941年<1%提升至2024年27.9%，年复合增长率达30%。硅基叠层电池凭借低带隙优势，有望在2030年后实现成本低于传统发电技术，推动可再生能源规模化应用
马丁·A·格林（Martin A. Green）|周子博（Zibo Zhou）|宋宁（Ning Song）|邱凯夫（Kaifu Qiu）|徐西翔（Xixiang Xu）|王文静（Wenjing Wang）|欧阳梓（Zi Ouyang）|陈一峰（Yifeng Chen）|江杰西卡·Y（Jessica Y. Jiang）
新南威尔士大学（UNSW）光伏与可再生能源工程学院，澳大利亚新南威尔士州悉尼市，邮编2052
摘要
尽管光伏技术在过去几十年中持续发展，已经取得了显著成果，但最近十年间其增长速度和技术进步却超出了预期。2024年，全球每年的太阳能装机容量达到了600吉瓦（GW），相比2014年的45吉瓦，年复合增长率高达30%。从2025年开始，太阳能发电量将超过核能和风能的总和，且利润率将迅速上升。更为令人印象深刻的是，主导性的硅电池技术在这十年间也经历了巨大的进步。自20世纪70年代开发出稳定可靠的技术以来，硅电池的转换效率已实现了快速提升，目前市场上大多数产品都采用了这项技术。本文概述了相关研究，并讨论了这些竞争技术的优缺点，同时展望了硅光伏技术的未来发展方向，包括基于硅的叠层电池技术可能发挥的作用。
章节摘录
概述
目前的光伏市场主要由硅太阳能电池主导，占据了年市场份额的97%以上。该行业的主要特点是能够持续降低成本——从20世纪60年代技术过于昂贵、仅限于航天应用，发展到如今成为“历史上最便宜的电力来源之一”。
市场份额
图2A显示了这些技术在过去十年中的市场份额变化，可以看出市场正快速向更先进的技术转型。1975年首次提出的铝背场（Al-BSF）技术主导了约40年的生产，直到2018年被PERC技术取代。这种快速转型得益于制造产量的每三年翻一番（见图2B）。PERC技术的成功应用进一步推动了2024年的技术变革。
铝背场（Al-BSF）技术
1941年首次报道的硅电池转换效率仅为1%，1954年提升至6%。美国太空计划加速了这一技术的发展，但到1962年其转换效率仍停留在14%左右，远低于20世纪50年代中期预测的20.3%–21.7%的水平。20世纪60年代末成立的COMSAT实验室针对这一差距进行了改进。
PERC技术
1976年NASA的一份报告指出，实现约19%的最高转换效率的主要障碍是开路电压（0.61V，而非预期 的0.7V）。NASA随后资助多个研究团队致力于达到680毫伏的目标，新南威尔士大学（UNSW）于1982年实现了这一目标。
TOPCon技术
20世纪60年代末，将掺杂多晶硅用于金属氧化物半导体（MOS）晶体管中的栅极电极，推动了微电子技术的重大进步。这种技术使得栅极能够与源极和漏极自对准，并促进了低功耗互补金属氧化物半导体（CMOS）电路的发展。
异质结（HJT）技术
20世纪60年代末发现氢化非晶硅（a-Si:H）具有优异的光伏性能后，人们开始关注其应用潜力。1974年首次报道了其异质结特性，1975年Carlson和Wronski展示了其太阳能电池的潜力，并在80年代初实现了商业化，应用于计算器和数字手表等产品。
IBC技术
IBC技术的历史比其他硅基技术更悠久，与热光伏技术密切相关。在这种技术中，太阳能加热的接收器发出的光子被电池转换利用；能量不足的光子会被回收利用以维持接收器的温度。White和Schwartz于1964年首次提出将IBC技术应用于热光伏领域，Lambert和Schwartz则在1975年制备出了首款Si-IBC电池。
基于硅的叠层电池
为了不断提高转换效率，基于硅的叠层电池成为了一个长期的发展方向。硅的带隙对于单结电池来说略低于最佳值，但对于双结或三结叠层电池来说非常接近最佳值。此外，由于硅在市场上的主导地位以及领先制造商的资源、韧性和市场影响力，任何新的光伏技术都可以通过这种技术降低市场风险。
最新进展
目前，中国光伏制造业处于主导地位，硅技术的最新进展主要得益于中国主要制造商的研究实验室。例如，隆基（LONGi）制造的HTBC电池创下了27.9%的转换效率纪录。通过使用特定掩模减少了边缘效应，但整体面积测量时的效率略有下降至27.8%。
长期展望
如前所述，硅电池已经提供了“历史上最便宜的电力之一”，且成本仍在持续下降。结合风能、电池和化学储能技术，硅电池有望以远低于历史水平的成本提供可靠、清洁的能源。从长远来看，叠层电池的商业化也将加速成本下降，推动向清洁能源未来的转型。
致谢
本研究得到了澳大利亚可再生能源机构（Australian Renewable Energy Agency）通过澳大利亚先进光伏中心（Australian Centre for Advanced Photovoltaics）的支持，同时也得到了作者所在机构的支持。
利益声明
作者声明没有其他利益冲突，仅与其所属机构相关的利益关系除外。
