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太陽能電池發(fā)光可取得接近30%的效率

作者: 來源:綜合報道 發(fā)布時間:2012-04-24 瀏覽:
     中國儲能網(wǎng)訊:為了產(chǎn)生最大的能量,太陽能電池的設(shè)計就要吸收盡可能多的太陽光?,F(xiàn)在,加州大學(xué)伯克利分校(University of California, Berkeley)的研究人員設(shè)計并演示了一種反直覺的概念:太陽能電池的設(shè)計更像發(fā)光二極管,可以發(fā)光也可以吸收。
    阿爾塔設(shè)備公司的高效率太陽能電池。來源:阿爾塔設(shè)備公司 
 
    伯克利分校研究小組會發(fā)表他們的成果,就在2012年激光和電光學(xué)大會(CLEO:Conference on Lasers and Electro Optics)上,大會5月6-11日在加利福尼亞州(California)圣何塞(San Jose)舉行。
 
    “我們展示的是,太陽能電池散發(fā)光子的效果越好,電壓就越高,也可以產(chǎn)生更大的效率,”艾利•雅布龍維奇(Eli Yablonovitch)說,他是加州大學(xué)伯克利分校電氣工程教授,也是首席研究員。
 
    自1961年以來,科學(xué)家已經(jīng)知道,在理想條件下,陽光照射到典型太陽能電池上,產(chǎn)生的電能數(shù)量有一個限度。這個絕對限度,從理論上說大約是33.5%。這意味著,最多只有33.5%的入射光子能量可以被吸收,并轉(zhuǎn)換成有用的電能。
 
    然而,五十年來,研究人員一直無法接近這一效率:2010年來,人們?nèi)〉玫淖罡咝蕜倓偝^26%。這是平板式“單結(jié)”(single junction)太陽能電池,它吸收的光波都屬于特定頻率以上。“多結(jié)”(Multi-junction)電池含有多層,可吸收多種頻率,能夠?qū)崿F(xiàn)更高的效率。
 
    最近,雅布龍維奇和他的同事們試圖了解,在理論極限與研究人員可達到的限度之間,為什么會出現(xiàn)這樣大的差距。在研究中,一幅“連貫的畫面”出現(xiàn)了,加州大學(xué)伯克利分校的研究生歐文•米勒(Owen Miller)說,他也是雅布龍維奇小組的成員。他們有了一個相對簡單的,也許有悖常理的解決方案,這是因為他們從數(shù)學(xué)上關(guān)聯(lián)起吸收和發(fā)射的光線。
 
    “從根本上說,這是因為有一種熱力學(xué)的聯(lián)系,存在于吸收和發(fā)射之間,”米勒說。設(shè)計太陽能電池,使它發(fā)光,這樣,光子就不會消失在電池內(nèi),這就會有一種自然效果,就是增加太陽能電池產(chǎn)生的電壓。“如果有一個太陽能電池,可以很好地發(fā)光,那么,也可以使它產(chǎn)生較高的電壓,”反過來,這就可以獲取更多的電能,這是相對于電池中每單位陽光而言,米勒說。
 
    理論上說,熒光發(fā)射和電壓變化具有相關(guān)性,這并不新鮮。但是,此前從未考慮過,這個理念可用于設(shè)計太陽能電池,米勒繼續(xù)說。
 
    去年,海灣地區(qū)有一家公司,叫阿爾塔設(shè)備公司(Alta Devices),是雅布龍維奇共同創(chuàng)辦的,這家公司利用這一新概念,創(chuàng)造了一種原型太陽能電池,采用的是砷化鎵(GaAs:gallium arsenide),這種材料常用于制造衛(wèi)星太陽能電池。這個原型打破了世界紀(jì)錄,效率從26%跳到28.3%。這家公司取得了這一里程碑,部分是因為,設(shè)計電池時,盡可能使光線容易逃出電池,這是因為使用了一些技術(shù),比如增加后鏡的反射率,可以把入射的光子反射回去,穿過前部的設(shè)備。
 
    太陽能電池產(chǎn)生電力,是因為來自太陽的光子撞擊電池內(nèi)的半導(dǎo)體材料。光子的能量敲松材料中的電子,使電子自由流動。但是,這個過程中,撞擊釋放電子也可以產(chǎn)生新的光子,這個過程稱為發(fā)光(luminescence)。這一理念支持這種新型太陽能電池設(shè)計,這些新的光子不是直接來自太陽,應(yīng)該盡可能容易地離開電池。
 
   “第一反應(yīng)通常是,讓這些光子逃逸什么用?”米勒說。“難道你不想讓光子一直在里面,這樣它們就可以創(chuàng)造更多的電子。”然而,數(shù)學(xué)上看,讓新的光子逃脫會提高電池產(chǎn)生的電壓。
 
    這項研究是“一個很好的有用的方式”,可以使科學(xué)家確定,如何提高太陽能電池的性能,以及尋找創(chuàng)造性的新方法,測試和研究太陽能電池,水晶伊斯公司(Crystal IS)的利奧•肖瓦爾特(Leo Schowalter)說,他是倫斯勒理工學(xué)院(Rensselaer Polytechnic Institute)客座教授,也是激光和電光學(xué)大會發(fā)光二極管、光電和節(jié)能光電委員會會長。
 
    雅布龍維奇說,他希望,研究人員可以使用這項技術(shù),在未來幾年,取得接近30%的效率。因為這項研究適用于所有類型的太陽能電池,因此,這項成果會影響整個領(lǐng)域。
 
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