近日，美國國家可再生能源實驗室( National Renewable Energy Laboratory，NREL) 研究出了迄今為止世界上最高效的太陽能電池，最高能量轉(zhuǎn)換效率達到了 47.1%。
雖然這些轉(zhuǎn)換效率的記錄經(jīng)常被打破，但至少就目前而言，47.1% 轉(zhuǎn)換效率的太陽能電池可以稱得上世界上最高效的太陽能電池。
最新的研究成果于 4 月 13 日發(fā)表在《自然能源》雜志上。
太陽能電池在提高轉(zhuǎn)換效率的道路上不斷向前邁進，正確的材料組合可以提高太陽能電池將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的能力。論文通訊作者，NREL 高效晶體光電池小組的首席科學(xué)家 John Geisz 表示：“這種新裝置展示了多結(jié)太陽能電池的巨大潛力。”
比頭發(fā)絲還細的太陽能電池
多結(jié)太陽電池是一種高效率的太陽能電池。每個電池有多個采用分子束外延或有機金屬化學(xué)氣相沉積法生成的薄膜，這些薄膜所構(gòu)成的不同的半導(dǎo)體有不同的特征能隙，而這些能隙可以吸收光譜中特定頻率的電磁波能量。
截止到目前的研究已經(jīng)證明了，硅是太陽能電池效率的黃金標(biāo)準(zhǔn)(Gold Standard)，僅使用硅的單結(jié)太陽能電池目前最高效率為 33%。
事實上，通過更換材料、添加更多結(jié)點以及在兩者之間執(zhí)行一系列工程技術(shù)，可以突破轉(zhuǎn)換效率 33% 限制。例如，某些三結(jié)(three-junction)太陽能電池在陽光集中的情況下轉(zhuǎn)換效率可能超過 45%。
太陽能電池 III-V 型六結(jié)結(jié)構(gòu)示意圖
而 NREL 最新研制出的太陽能電池是 III-V 型六結(jié)結(jié)構(gòu)，其中“ III-V”是指光吸收元素在元素周期表上的位置，III-V 材料具有廣泛的光吸收特性。該電池的六個連接點中的每個結(jié)點都經(jīng)過專門設(shè)計，他們由六種不同類型的光敏層組成，可以捕獲來自太陽光譜中特定部分的光。
通過現(xiàn)代工程和納米技術(shù)，該裝置總共包含約 140 層不同 III-V 材料層，以支持這些連接點的性能，但其寬度卻僅僅只是人們頭發(fā)絲的三分之一。
太陽能電池效率新紀(jì)錄
為了探究該 III-V 型六結(jié)結(jié)構(gòu)太陽能電池的性能，NERL 的科學(xué)家在聚集的光線下進行了測試，而這種聚集的光線強度是自然太陽光強度的 143 倍。
測試結(jié)果表明，他們的新太陽能電池在聚集的光線下轉(zhuǎn)換效率達到了創(chuàng)紀(jì)錄的 47.1%。
III-V 多結(jié)電池的共同開發(fā)者之一、NREL 科學(xué)家 Ryan France 稱，將太陽能電池效率的潛力超過 50% “實際上非?？赡軐崿F(xiàn)”，但由于熱力學(xué)的基本限制，物體總在與外界交換能量，所以轉(zhuǎn)換效率無法達到 100% 的效率。
盡管該測試是在聚集的光線下進行，結(jié)果對應(yīng)的效率會在實際使用中有所下降，但該團隊表示，可以用反射鏡構(gòu)建設(shè)備從而以將太陽光聚焦到電池上。
同時，該研究團隊還對這種新型電池在正常的太陽光照下進行了測試，其轉(zhuǎn)換效率仍然達到 39.2%。39.2% 的轉(zhuǎn)換效率似乎并不出眾，但仍然不容小覷。實際上，39.2% 的轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)創(chuàng)下了太陽光照下轉(zhuǎn)換效率的新世界紀(jì)錄。
John Geisz 稱，目前要使太陽能電池效率突破 50%，主要障礙是減少電池內(nèi)部阻礙電流流動的電阻。
聚光光伏發(fā)電技術(shù)
更有意義的事情是，通過采用正常的太陽光照和聚集的光線時存在的轉(zhuǎn)換效率差異表明，在大眾市場上可能存在一種經(jīng)濟的方式來部署六結(jié) III-V 型電池。
Ryan France 解釋說：“在地球上，六結(jié) III-V 型太陽能電池非常適合用于聚光光伏(concentrator photovoltaics)發(fā)電。降低成本的一種方法是減少所需的面積，可以通過使用鏡子捕獲光線并將光線聚焦到一點來做到這一點。”
也就是說，使用一個類似于相對低價的匯聚光線的鏡子來匯聚光線在新型太陽能電池上，這樣可以大大的降低該技術(shù)的使用成本。通過聚光，可以使用更少的半導(dǎo)體材料。同時，集中光線也會使該電池的效率會有所提高。”
根據(jù) France 的說法，與傳統(tǒng)的硅太陽能電池相比，達到相同的效果最終可能僅使用原有半導(dǎo)體材料數(shù)量級的 1/100 甚至 1 / 1000。
CSP 技術(shù)展示圖，所有的日光反射裝置共同把光線聚集在中心點
美國能源部在奧巴馬政府期間展示了集中太陽能(Concentrating Solar Power，CSP)發(fā)電技術(shù)，當(dāng)時該技術(shù)在市場上并不受歡迎。
但是，近年來，聚光光伏的發(fā)展至于真正開始。當(dāng)前的重點是熱能和能量存儲，美國能源部近年來對聚光光伏發(fā)電技術(shù)的興趣持續(xù)增強，特別是高溫太陽能領(lǐng)域。比爾·蓋茨(Bill Gates)也以高科技能源投資者的新身份涉足高溫 CSP 領(lǐng)域。
而 NERL 展示的這項太陽能電池技術(shù)可能為 CSP 行業(yè)提供了另一條追求太陽能發(fā)展的途徑。John Geisz 稱表示，NREL 也會積極參與降低 III-V 太陽能電池的成本，從而為這些高效電池開辟新的市場。
參考資料：
https://www.nature.com/articles/s41560-020-0598-5
https://pvbuzz.com/solar-cell-efficiency-of-nearly-50-percent/
https://cleantechnica.com/2020/04/14/us-scientists-create-new-solar-cell-that-blows-past-theoretical-limit-but-why/
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