当涉及到从全世界太阳能光伏（PV）电池和组件的主力军硅中榨取更高的效率和更低的成本时，美国的创新者仍有一些牌要打。
NREL对由TetraSun电池制造的光伏组件进行了表征和可靠性测量。NREL的研究人员与公司的技术团队合作，开发和实施对测量模块的修改，有助于提高产品性能和可靠性。(来源:丹尼斯·施罗德)
最近的一项突破——制造商TetraSun和能源部的国家可再生能源实验室(NREL)合作的产品——可能会在明年这种方法进入装配线时激发美国的太阳能制造业。创新的设计、简单的结构和制造电池的优雅的工艺流程使该技术成为大规模生产的首选。
太阳能行业的领军企业First Solar于2013年4月收购了利达光电(TetraSun)，与此同时，《研发杂志》(R&D Magazine)为利达光电和NREL颁发了年度最具创新力的“研发100奖”。
光伏孵化器项目的潜在颠覆性技术引起关注
通常，硅光伏电池制造商通过丝网印刷工艺在电池上添加细银线网格，形成前端触点。
而TetraSun电池则在其前端接点上加载50微米宽的铜电极，以防止金属扩散——这会降低电池性能。这种新工艺的性能超过了传统的异质结电池，不需要任何特殊设备，不需要复杂的模块组装，也不需要昂贵的透明导电氧化物。2020欧洲杯下注官网在大批量生产方面，这构成了巨大的成本优势。
NREL的玛莎·赛姆科·戴维斯（Martha Symko Davies）说：“这是一项具有潜在破坏性的技术，这就是为什么我们决定与TetraSun合作。”2010年，当TetraSun获得资助时，她是能源部SunShot Initiative光伏孵化器项目的负责人。“孵化器计划支持小型初创企业的潜在颠覆性创新。
“这表明我们美国仍然有创新。人们认为在硅领域已经没有什么可做的了，但其实还有一些事情要做。”
Symko Davies指的是Shockley-Queisser极限，该极限假定硅太阳能电池的效率不能超过29%；也就是说，击中电池的光子中不超过29%可以转化为电能。现代单晶太阳能电池由于实际考虑，如电池反射和表面细线的光阻挡，转换效率无法达到22%以上。这就是为什么分析师对TetraSun电池充满热情，尽管铜取代银以降低成本，但该电池的效率仍为21%。
TetraSun有一个独特的想法，但NREL的测量和表征能力使它成为现实。NREL首席科学家Mowafak Al-Jassim说:“随着硅的利润率下降，每个组件的成本变得非常重要，特别是当你谈论这种材料的平方英里时。”“我们正在努力制造足够多的太阳能电池板，以产生十亿瓦的电力。那可是很多银子啊。我们需要用同样好的导体代替银，但要便宜得多。”
侦查工作:发现缺陷，切换食谱
铜是一种良好的导体和连接器，但与银不同，铜不喜欢呆在它放置的地方。研究人员必须找到一种方法来控制铜的扩散，这样它就不会分流并使电池和模块短路。Al-Jassim的任务是开发出一种方法来描述使用铜的新接触方案。他拒绝了o扫描电容显微镜，以调查和优化触点的电气性能。
当NREL和TetraSun完善这项技术时，国家实验室和私人公司之间的合作就像长途象棋，电子邮件和包裹来回移动。TetraSun将发送一个样品，NREL将检查设备上铜的均匀性和连续性。
在最初的几次实验中，NREL的研究人员通过显微镜观察铜，看到的不是条带，而是珠子，这代表了金属的不连续，这是一种导致细胞性能低下的严重缺陷。这是一项反复进行的取证工作，对大硅片的微小部分进行检查——一侧有156毫米，比CD盒还大。
“我们将结果发邮件给TetraSun;他们会看到所有的不完美，并尝试不同的配方或方法。我们将再次进行测试，并再次通过电子邮件发送结果。”“最终，我们得到了我们想看到的东西。
贾西姆补充说:“这是一个非常费力的过程，因为我们必须从细胞的不同区域对许多部分进行取样。”他指出，这些铜网格大约有人类头发的二十五分之一宽。“但这正是NREL的亮点所在——当我们在纳米尺度上进行测量时。”
NREL还帮助TetraSun在保持高效率的同时提高了细胞产量。“我们告诉他们为什么好的细胞是好的，为什么坏的细胞是坏的，”Al-Jassim说，“这确实是一项科学探测工作。”。这并不容易，但NREL对此有充分的准备。”
此外，NREL还进行了测试，以验证TetraSun电池的可靠性：
- 湿热试验，将电池暴露在85℃的温度和85%的相对湿度下1000小时
- 一种热循环试验，在此试验中，细胞被置于温度从零下40摄氏度到85摄氏度的200个循环中
- 一种紫外线测试，将细胞暴露在一定剂量的紫外线下。
储蓄最大化比以往任何时候都重要
过去5年，随着制造商努力扩大至千兆瓦规模，以及中国太阳能行业降低成本和利润率，从太阳能电池中节约每一分钱的重要性迅速上升。
最近，公司几乎总是不得不增加成本来提高太阳能电池的效率。Al-Jassim说:“TetraSun能够降低成本，同时提高效率两个绝对百分点，这是非常重要的。”
NREL的Harin Ullal与TetraSun共同管理这项研究，他说，在18个月内实现21%的效率是不寻常的，这表明了该电池的破坏性技术。“相比之下，丝网印刷硅电池的效率为17%到19%，”他说。
乌拉尔指出，这项新技术除了在前端接触栅极上用丰富的铜取代昂贵的银外，还使用了n型硅晶片，这种晶片被掺杂了杂质，使它们获得了过量的导电电子。(相比之下，p型电池被掺杂的电子空穴比电子多。)与更常见的p型晶片相比，n型晶片可以提高电池效率，p型晶片会遭受光诱导的降解。利达光电电池结构设计、耐腐蚀性和n型硅材料掺杂的选择等方面的创新，使其效率增益超过绝对2%。
Ullal说：“到2020年，这项技术可能达到能源部的SunShot目标，即光伏系统每瓦1美元，发电每千瓦时约6美分。”。
带领TetraSun团队的是Oliver Schultz-Wittmann, Denis DeCeuster, Adrian Turner和Doug Crafts。除了Al-Jassim, Symko-Davies和ulal, NREL的团队还包括Peter hack, Chunsheng Jiang和Richard Mitchell。
第一太阳能以碲化镉太阳能电池闻名于世，它来自元素周期表的第二列和第六列。这些元素以磅计是昂贵的，但它们需要如此薄的层，在价格上可以挑战硅。但今天，硅继续占据太阳能市场的最大份额。通过收购利达光电(TetraSun)， First Solar现在准备在薄膜和硅领域都有一席之地。
First Solar首席执行官吉姆·休斯（Jim Hughes）在4月份表示，他的公司收购了TetraSun，因为它的晶体硅电池使用更简单的设计实现了高效率，需要更少的工艺步骤，并且比传统的多晶硅太阳能电池具有更宽的公差。休斯指出，TetraSun技术还通过其大幅面晶片和消除对昂贵的银和透明导电氧化物的需求来节省成本。
Hughes在宣布“研发100奖”时表示:“这一突破性技术将打开青睐高效解决方案的光伏市场的一半，这是第一太阳能公司迄今为止没有做到的。”他说，在第一太阳能的市场领先的碲化镉电池中加入TetraSun选项“为我们提供了一套独特的端到端解决方案”，以服务于商业应用的光谱。
“太阳能行业一直非常关注提高电池效率和成本，”Ullal说，并指出，提高效率的技术进步往往更加复杂和昂贵。“这项技术很特殊，因为它同时提高了性能和生产成本。”
来源:http://www.nrel.gov