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半导体和电子

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古怪的太阳能电池创造了新的效率记录

提高效率

美国的研究人员已经建造了一种既能发光又能吸收光的新型太阳能电池,使其成为有史以来最高效的单结器件。他们原型电池的效率使其能够转换28.6%的太阳’将能量转化为电能。与2010年实现的最高记录26.4%的最高效率相比,这是一个很大的提高。

自1961年以来,科学家就已经知道,阳光照射到典型的太阳能电池中可以收集的能量的绝对极限约为33.5%。但是,近五十年来,研究人员一直无法接近达到这一理论效率。但是现在,Eli Yablonovitch和他来自加州大学伯克利分校的研究生Owen Miller设计并制造了一种新型的太阳能电池,该电池通过模仿发光二极管的行为来接近该极限。也就是说,太阳能电池具有很高的吸收和发射光的能力。实际上,控制光的发射提高了效率。

研究人员 have shown that the better a solar cell is at emitting photons, the higher its voltage is and the greater its efficiency. “[结果]几乎是自相矛盾和违反直觉的。一开始很难理解,”雅布洛诺维奇说, physicsworld.com 他和他的同事发现了这种联系,同时试图解决太阳能电池效率的理论和实际极限之间的巨大差距。

管理光子

解决方案在于光的吸收和发射之间的数学联系-一种更好理解为的现象“photon management”. Conventionally, 光子管理 involves controlling the photons incident on a solar cell so that a photon ejects as many electrons as possible, thereby generating the maximum amount of electric current. “But there is another aspect to 光子管理, in that we manage not only the incident light, but also the emitted light. Emitted photons sometimes get ‘lost’在细胞内,所以我们要做的是确保发出那些光子,”Yablonovitch解释说。在传统的太阳能电池中,来自太阳的光子撞击半导体材料,使电子散落,并使电子自由流动。但是这个过程也可以产生新的光子,这个过程称为“luminescent emission”。由于吸收和发射之间存在基本的热力学联系,因此设计太阳能电池以发光会导致设备产生的电压增加。

研究人员’Yatanovnovitch和加州理工学院物理学家Harry Atwater于2007年共同创立了一家名为Alta Devices的公司,将这种新概念付诸实践。该公司专门成立以生产经济和高能太阳能电池。新的原型太阳能电池是由砷化镓制成的,砷化镓通常用于制造人造卫星的太阳能电池。结果是器件的工作效率为28.6%。

率先付诸实践

虽然引起电压升高的发光理论已经有一段时间了,但是它从未被实践。“迄今为止,它从未在太阳能电池开发领域中使用过,这令人有些困惑。但是缺乏某些要求可能可以解释这一点,”Yablonovitch说。他继续说太阳能电池是“grown”通常在质量较差的基材上“sinks”对于发射的发光光子,然后将其丢失。 Alta Devices制造的新电池与基板分离,从而提供了更好的性能。“In fact, we separate the substrates on which the cells are 长大的 and then re-use them. This not only helps with efficiency, but it also brings the cost of producing our cells down, and so it is a key factor,”Yablonovitch说。他解释说,这种电池仍比传统电池薄(1 µm),因此人们真的震惊地知道使用砷化镓廉价地开发了这种设备。 Alta Devices已经开始以工业规模生产电池,并将样品运送给客户。

Yablonovitch表示,他希望研究人员能够在未来几年内使用这项技术来实现接近30%的效率。考虑到这项工作适用于所有类型的太阳能电池,这一发现对整个领域都有着重要的意义。

该小组将在5月初在美国加利福尼亚举行的激光和电光学会议上介绍其研究结果。

该研究将发表在 光伏学报.

版权©2020年由IOP 出版 Ltd和个人贡献者