諸平
據(jù)喬治華盛頓大學(George Washington University)2017年7月12日所提供的消息，該大學的研究人員設(shè)計出幾乎可以捕獲所有太陽光的銻化鎵（GaSb）基太陽能電池，光電轉(zhuǎn)化效率達到44.5%。相關(guān)研究結(jié)果于2017年7月10日在《先進能源材料》（Advanced Energy Materials）雜志網(wǎng)站發(fā)表——Matthew P. Lumb, Shawn Mack, Kenneth J. Schmieder, María González, Mitchell F. Bennett, David Scheiman, Matthew Meitl, Brent Fisher, Scott Burroughs, Kyu-Tae Lee, John A. Rogers, Robert J. Walters. GaSb-Based Solar Cells for Full Solar Spectrum Energy Harvesting.Advanced Energy Materials，10 July 2017. DOI: 10.1002/aenm.201700345
Credit: George Washington University
喬治華盛頓大學的科學家們設(shè)計和建造了一種新型太陽能電池，它集成多個太陽能電池，將其堆積成一種能夠捕獲太陽光譜中幾乎所有不同波長光線。新設(shè)計的太陽能電池其直接將光能轉(zhuǎn)化為電能的效率達到44.5%的效率,使其可能成為世界上最高效的太陽能電池。
這種方法不同于人們在屋頂上或田野里可以看到的一般太陽能電池板。新設(shè)備使用了聚光光伏(Concentrator Photovoltaic簡稱CPV)太陽能電池板,這種太陽能電池板使用鏡頭以便將太陽光聚集很小,形成微尺度的太陽能電池。因為它們的大小尺度不超過1 mm2,使用更復雜材料開發(fā)這樣小規(guī)模的太陽能電池，可以有效降低開發(fā)成本。
多層疊放在一起的太陽能電池其作用就像是一種太陽光的篩子,每一層使用的特殊材料可以吸收一組特定波長太陽光線的能量。太陽光通過入射口到達堆疊層時,已有近一半的可用能源轉(zhuǎn)換成電能。相比之下,當今最常見的太陽能電池只有四分之一的可用能源轉(zhuǎn)換成電能。
喬治華盛頓大學工程和應(yīng)用科學學院的研究科學家、也是此研究成果的第一作者馬修·盧姆（Matthew Lumb）說：“太陽光大約99%的直接照射到地球表面的能量，其波長在250 nm和2500 nm之間,但對于高效多結(jié)太陽能電池而言，傳統(tǒng)材料不能捕獲太陽投射到地球表面的整個光譜范圍內(nèi)的能量。我們的新設(shè)備能解決長波長光子的能源存儲問題,這部分長波長的光線在傳統(tǒng)的太陽能電池中無法加以利用而白白被浪費,因此，通過多結(jié)太陽能電池為解決提高太陽能利用效率提供了一個最終實現(xiàn)的途徑。”
雖然科學家多年來一直在向著更高效的太陽能電池方向進行不斷研究,但是這種方法有兩個方面的新奇。其一，它使用一種以銻化鎵(GaSb)為底物材料家族,而GaSb底物材料通常是在紅外激光和光電探測器應(yīng)用中會發(fā)現(xiàn)。新的以GaSb作為基礎(chǔ)的太陽能電池被組裝成多層結(jié)構(gòu)和效率高太陽能電池，就是由捕獲太陽短波長光子的傳統(tǒng)基質(zhì)材料衍生的。此外,堆垛過程使用一個被稱為轉(zhuǎn)印技術(shù)（transfer-printing）,使這些小設(shè)備的三維裝配具有高精度。
這種特殊的太陽能電池非常昂貴,但是研究人員認為其光電轉(zhuǎn)化效率的大幅度提高是非常重要的。盡管目前所涉及的材料成本問題,但是這項技術(shù)用于創(chuàng)建太陽能電池依然大有前途。最終類似的產(chǎn)品有可能投放市場,通過高效光電轉(zhuǎn)化效率獲得的電能來補償可循環(huán)使用的昂貴的生長基質(zhì)。
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Abstract
In this work, a multijunction solar cell is developed on a GaSb substrate that can efficiently convert the long-wavelength photons typically lost in a multijunction solar cell into electricity. A combination of modeling and experimental device development is used to optimize the performance of a dual junction GaSb/InGaAsSb concentrator solar cell. Using transfer printing, a commercially available GaAs-based triple junction cell is stacked mechanically with the GaSb-based materials to create a four-terminal, five junction cell with a spectral response range covering the region containing >99% of the available direct-beam power from the Sun reaching the surface of the Earth. The cell is assembled in a mini-module with a geometric concentration ratio of 744 suns on a two-axis tracking system and demonstrated a combined module efficiency of 41.2%, measured outdoors in Durham, NC. Taking into account the measured transmission of the optics gives an implied cell efficiency of 44.5%.
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