飞米结构让硅薄膜太阳能电瓶费用减半,砷化镓

砷化镓太阳能电池有望打破能效记录

纳米结构让硅薄膜太阳能电池成本减半

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据美国物理学家组织网近日报道,新加坡科学家将一个新奇的纳米结构(比人的头发丝小数千倍)置于非结晶硅制成的太阳能电池的表面,研制出了一种转化效率高、成本低的新型薄膜太阳能电池。科学家们认为,最新技术有望将太阳能电池的制造成本减半。

据美国物理学家组织网11月8日报道,美国科学家通过与传统科学研究相反的新思路,用砷化镓制造出了最高转化效率达28.4%的薄膜太阳能电池。该太阳能电池效率提升的关键并非是让其吸收更多光子而是让其释放出更多光子,未来用砷化镓制造的太阳能电池有望突破能效转化记录的极限。

目前太阳能电池一般都由高品质的硅晶体制成,因此,大大提高了其制造成本,限制了太阳能电池在全球大规模的应用。南洋理工大学和新加坡微电子研究院的科学家制造出的这种新的薄膜硅太阳能电池则解决了这个问题。

过去,科学家们都强调通过增加太阳能吸收光子的数量来提升太阳能电池的效率。太阳能电池吸收阳光后产生的电子必须被作为电提取出来,而那些没有被足够快速提取出的电子会衰变并释放出自己的能量。

科学家们首先使用品质比较差、厚度仅为传统太阳能电池所用硅晶体百分之一的非结晶硅薄膜,制造出了一种薄膜硅太阳能电池,大大降低了太阳能电池的制造成本。

美国能源部下属的劳伦斯伯克利国家实验室科学家伊莱:亚布鲁诺维契领导的研究表明,如果这些释放的能量作为外部荧光排放出来,太阳能电池的输出电压就会提高。亚布鲁诺维契说:“我们的研究表明,太阳能电池释放光子的效率越高,其能源转化效率和提供的电压就越高。外部荧光是太阳能电池转化效率达到理论最大值——肖克莱:奎塞尔效率极限的关键。对于单p-n结太阳能电池来说,这个最大值约为33.5%。”

但这种电池在将太阳光转化为电力方面的效率较低,为此,科学家们使用纳米技术在非结晶硅太阳能电池表面制造出了一种独特的纳米结构,改进了这种薄膜硅电池的转换效率,增加了能源输出。新的纳米结构硅薄膜太阳能电池产生的电流是34.3毫安/平方厘米,与传统电池的输出电流(40毫安/平方厘米)相当。

参与研究人员欧文:米勒解释道,在太阳能电池的开路环境中,电子无处可去,就会密密挤在一起,理想的情况是,它们排放出外部荧光,精确地平衡入射的太阳光。

该研究项目的领导者、新加坡微电子研究院高级研究员纳瓦:辛表示:“新的纳米方法让这种薄膜太阳能电池获得了有史以来最高的短路电流密度以及5.26%的转化效率。”

基于此,由亚布鲁诺维契联合创办的阿尔塔设备公司使用亚布鲁诺维契早期研发的单晶薄膜技术——外延层剥离技术,用砷化镓制造出了最高转化效率达28.4%的薄膜太阳能电池。这种电池不仅打破了此前的转化效率,其成本也低于其他太阳能电池。目前效率最高的商用太阳能电池由单晶硅圆制造,最高转化效率为23%。砷化镓虽然比硅贵,但其收集光子的效率更高。就性价比而言,砷化镓是制造太阳能电池的理想材料。

然而,一般晶体硅电池的转化效率为20%至25%。纳瓦:辛认为,鉴于短路电流密度与转化效率直接相关,通过不断改进填充率、增加开路电流的电压,能让这种硅薄膜太阳能电池的转化效率最终提高到与晶体硅太阳能电池相当。他们接下来将集中于探索其他捕光策略,比如使用表面等离子体光子学技术来捕光等。

亚布鲁诺维契说:“太阳能电池的高性能与外部荧光有关,我们的理论将显著改变未来太阳能电池的面貌,我们将生活在一个太阳能电池非常便宜而且高效的世界中。”

南洋理工大学电机与电子工程学院院长郑世强表示,太阳能电池要想在全球各地“遍地开花”,提高低成本太阳能电池的转化效率非常重要。南洋理工大学一直致力于研究便宜高效其容易制造的太阳能电池,以便太阳能电池在未来的可再生能源家族中发挥更大的作用和影响力。

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新加坡微电子研究院院长孔迪立表示:“薄膜太阳能电池的需求量在2013年可能会翻番。”

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