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(huì)發(fā)表他們的成果，就在2012年激光和電光學(xué)大會(huì)（CLEO：Conference on Lasers and Electro Optics）上，大會(huì)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(gè)限度。這個(gè)絕對(duì)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?cè)噲D了解，在理論極限與研究人員可達(dá)到的限度之間，為什么會(huì)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(gè)相對(duì)簡單的，也許有悖常理的解決方案，這是因?yàn)樗麄儚臄?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?yàn)橛幸环N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(jì)太陽能電池，使它發(fā)光，這樣，光子就不會(huì)消失在電池內(nèi)，這就會(huì)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(gè)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(duì)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(gè)理念可用于設(shè)計(jì)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(gè)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?yàn)?，設(shè)計(jì)電池時(shí)，盡可能使光線容易逃出電池，這是因?yàn)槭褂昧艘恍┘夹g(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?yàn)閬碜蕴柕墓庾幼矒綦姵貎?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(dòng)。但是，這個(gè)過程中，撞擊釋放電子也可以產(chǎn)生新的光子，這個(gè)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(jì)，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(huì)提高電池產(chǎn)生的電壓。
這項(xiàng)研究是“一個(gè)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(huì)發(fā)光二極管、光電和節(jié)能光電委員會(huì)會(huì)長。
雅布龍維奇說，他希望，研究人員可以使用這項(xiàng)技術(shù)，在未來幾年，取得接近30％的效率。因?yàn)檫@項(xiàng)研究適用于所有類型的太陽能電池，因此，這項(xiàng)成果會(huì)影響整個(gè)領(lǐng)域。
