研發報告詳細內容

砷化鎵薄膜太陽能電池效率提升至28.4%

2011-11-10

美國科學家通過與傳統科學研究相反的新思路,用砷化鎵製造出了最高轉化效率達28.4%的薄膜太陽能電池。該太陽能電池效率提升的關鍵並非是讓其吸收更多光子而是讓其釋放出更多光子,未來用砷化鎵製造的太陽能電池有望突破能效轉化記錄的極限。

      過去,科學家們都強調通過增加太陽能吸收光子的數量來提升太陽能電池的效率。太陽能電池吸收陽光後產生的電子必須被作為電提取出來,而那些沒有被足夠快速提取出的電子會衰變並釋放出自己的能量。

      美國能源部下屬的勞倫斯伯克利國家實驗室科學家伊萊·亞布魯諾維契領導的研究表明,如果這些釋放的能量作為外部螢光排放出來,太陽能電池的輸出電壓就會提高。亞布魯諾維契說:“我們的研究表明,太陽能電池釋放光子的效率越高,其能源轉化效率和提供的電壓就越高。外部螢光是太陽能電池轉化效率達到理論最大值——肖克萊·奎塞爾效率極限的關鍵。對於單p-n結太陽能電池來說,這個最大值約為33.5%。”

      參與研究人員歐文·米勒解釋道,在太陽能電池的開路環境中,電子無處可去,就會密密擠在一起,理想的情況是,它們排放出外部螢光,精確地平衡入射的太陽光。

      基於此,由亞布魯諾維契聯合創辦的阿爾塔設備公司使用亞布魯諾維契早期研發的單晶薄膜技術——外延層剝離技術,用砷化鎵製造出了最高轉化效率達28.4%的薄膜太陽能電池。這種電池不僅打破了此前的轉化效率,其成本也低於其他太陽能電池。目前效率最高的商用太陽能電池由單晶矽圓製造,最高轉化效率為23%。砷化鎵雖然比矽貴,但其收集光子的效率更高。就性價比而言,砷化鎵是製造太陽能電池的理想材料。

      亞布魯諾維契說:“太陽能電池的高性能與外部螢光有關,我們的理論將顯著改變未來太陽能電池的面貌,我們將生活在一個太陽能電池非常便宜而且高效的世界中。”

      上世紀60年代,砷化鎵太陽電池就已經研製成功,當時的轉化率不到10%。儘管幾十年來技術一路改進,但單結砷化鎵薄膜電池的轉化率一直沒有突破27%。這次美國科學家一反常規,創造條件讓電池板向外放射螢光,看似損失了能量,實則提高了效率,向理論極限邁進一大步。過去由於成本原因,優質光電材料砷化鎵沒有像矽那樣大規模應用,而隨著技術進步,新出現的大規模製造工藝正逐漸為砷化鎵產業化應用鋪平道路,這對現有光伏產業是一個巨大衝擊。

      


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