近日，美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室( National Renewable Energy Laboratory，NREL) 研究出了迄今為止世界上最高效的太陽(yáng)能電池，最高能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)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(yáng)能電池可以稱得上世界上最高效的太陽(yáng)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(yáng)能電池在提高轉(zhuǎn)換效率的道路上不斷向前邁進(jìn)，正確的材料組合可以提高太陽(yáng)能電池將太陽(yáng)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(yáng)能電池的巨大潛力。”
比頭發(fā)絲還細(xì)的太陽(yáng)能電池
多結(jié)太陽(yáng)電池是一種高效率的太陽(yáng)能電池。每個(gè)電池有多個(gè)采用分子束外延或有機(jī)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(yáng)能電池效率的黃金標(biāo)準(zhǔn)(Gold Standard)，僅使用硅的單結(jié)太陽(yáng)能電池目前最高效率為 33%。
事實(shí)上，通過(guò)更換材料、添加更多結(jié)點(diǎn)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(yáng)能電池在陽(yáng)光集中的情況下轉(zhuǎn)換效率可能超過(guò) 45%。
太陽(yáng)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(yáng)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(gè)連接點(diǎn)中的每個(gè)結(jié)點(diǎn)都經(jīng)過(guò)專門(mén)設(shè)計(jì)，他們由六種不同類型的光敏層組成，可以捕獲來(lái)自太陽(yáng)光譜中特定部分的光。
通過(guò)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(diǎn)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(yáng)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(yáng)能電池的性能，NERL 的科學(xué)家在聚集的光線下進(jìn)行了測(cè)試，而這種聚集的光線強(qiáng)度是自然太陽(yáng)光強(qiáng)度的 143 倍。
測(cè)試結(jié)果表明，他們的新太陽(yáng)能電池在聚集的光線下轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了創(chuàng)紀(jì)錄的 47.1%。
III-V 多結(jié)電池的共同開(kāi)發(fā)者之一、NREL 科學(xué)家 Ryan France 稱，將太陽(yáng)能電池效率的潛力超過(guò) 50% “實(shí)際上非?？赡軐?shí)現(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(wú)法達(dá)到 100% 的效率。
盡管該測(cè)試是在聚集的光線下進(jìn)行，結(jié)果對(duì)應(yīng)的效率會(huì)在實(shí)際使用中有所下降，但該團(tuán)隊(duì)表示，可以用反射鏡構(gòu)建設(shè)備從而以將太陽(yáng)光聚焦到電池上。
同時(shí)，該研究團(tuán)隊(duì)還對(duì)這種新型電池在正常的太陽(yáng)光照下進(jìn)行了測(cè)試，其轉(zhuǎn)換效率仍然達(dá)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(shí)際上，39.2% 的轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)創(chuàng)下了太陽(yáng)光照下轉(zhuǎn)換效率的新世界紀(jì)錄。
John Geisz 稱，目前要使太陽(yáng)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(dòng)的電阻。
聚光光伏發(fā)電技術(shù)
更有意義的事情是，通過(guò)采用正常的太陽(yáng)光照和聚集的光線時(shí)存在的轉(zhuǎn)換效率差異表明，在大眾市場(chǎng)上可能存在一種經(jīng)濟(jì)的方式來(lái)部署六結(jié) III-V 型電池。
Ryan France 解釋說(shuō)：“在地球上，六結(jié) III-V 型太陽(yáng)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(guò)使用鏡子捕獲光線并將光線聚焦到一點(diǎn)來(lái)做到這一點(diǎn)。”
也就是說(shuō)，使用一個(gè)類似于相對(duì)低價(jià)的匯聚光線的鏡子來(lái)匯聚光線在新型太陽(yáng)能電池上，這樣可以大大的降低該技術(shù)的使用成本。通過(guò)聚光，可以使用更少的半導(dǎo)體材料。同時(shí)，集中光線也會(huì)使該電池的效率會(huì)有所提高。”
根據(jù) France 的說(shuō)法，與傳統(tǒng)的硅太陽(yáng)能電池相比，達(dá)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(jí)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(diǎn)
美國(guó)能源部在奧巴馬政府期間展示了集中太陽(yáng)能(Concentrating Solar Power，CSP)發(fā)電技術(shù)，當(dāng)時(shí)該技術(shù)在市場(chǎng)上并不受歡迎。
但是，近年來(lái)，聚光光伏的發(fā)展至于真正開(kāi)始。當(dāng)前的重點(diǎn)是熱能和能量存儲(chǔ)，美國(guó)能源部近年來(lái)對(duì)聚光光伏發(fā)電技術(shù)的興趣持續(xù)增強(qiáng)，特別是高溫太陽(yáng)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(xiàng)太陽(yáng)能電池技術(shù)可能為 CSP 行業(yè)提供了另一條追求太陽(yáng)能發(fā)展的途徑。John Geisz 稱表示，NREL 也會(huì)積極參與降低 III-V 太陽(yáng)能電池的成本，從而為這些高效電池開(kāi)辟新的市場(chǎng)。
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/
評(píng)論