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高效聚光光伏电池研制将提高光电转换率  

2014-03-29 16:07:28|  分类: 科技前沿 |  标签: |举报 |字号 订阅

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约翰·罗格参与研发的新型面板

约翰·罗格参与研发的新型面板

太阳能是免费和近乎无限的,对于“能源即生命”的人类而言,没有理由视而不见、任其浪费。不过,即便是当前光电转化效率最高、也是最主流的硅片太阳能电池,也仅能将光能的四分之一加以利用。而据英国《经济学人》杂志在线发表的一篇文章指出,尽管目前,晶硅太阳能电池仍有着价格低廉、工艺成熟等显著优点,但随着石化能源枯竭带来的危机日益临近,科学家们已经开始寻找效率更高的替代者。

美国伊利诺伊州大学香槟分校的约翰·罗格博士就是其中之一。他与美国聚光光伏组件厂商Semprius公司联合研发的新型硅片,在最新的试验项目中表现出优异的性能。其实早在2012年,Semprius公司就曾公布旗下光伏组件转换效率创造了当时的世界纪录,达到33.9%(有效面积),并获得了证实与室外检验确认。而此次,在2014年的美国科学促进会会议上,罗格宣布其光电转换效率达到了42.5%。即便封装入面板,也能够保持在35%,而经过适当的调试,最高可达到惊人的50%。

这种新型电池的秘密是什么呢?

答案是它的构造并非传统形式,而是在每块电池板中层层堆叠了四块硅片。

一般而言,太阳能电池都由半导体材料制成。每种半导体都具有一种被称为带隙的性质,带隙的不同将半导体彼此区别开来。带隙决定着一种半导体能够吸收的光线的最长波长,也控制着其从波长较短光线的光子中,所能获取的能量上限。

通常情况下,正是因为带隙的存在,传统太阳能电池难以捕获长波光线中的光子,而对短波光线光子又无法做到完全利用。

为了克服这一弊端,约翰·罗格在制作相叠放的四块电池片时,分别使用不同的材料。其目的就是让上一层电池片的带隙最低值与下一层电池片带隙的最高值相吻合,以此类推。这样,每一层电池片都能够各自吸收掉光谱中的几种波长并将其转化为电能,同时让其他波长“漏”给下一层使用,最终实现物尽其用。

与此前其他的实验室成果一样,这种新式电池要想实现商业化,面临的最大问题是如何降低砷、镓、铟等所用稀有金属的成本。约翰·罗格的方法,是降低太阳能电池片表面半导体材料的涂层面积。传统电池片要求完全涂满,但罗格的新品只需要表面积的0.1%。半导体材料以每一个仅1平方毫米大小的点的形式,分散在整个电池片的表面——这意味着一块125平方米的电池面板上,将有100万个这样的材料点。而在这些点之上,安装有便宜的玻璃透镜,可以把太阳光聚拢入电池叠片,保证所有的入射光都有材料点与之相对应。

更值得一提的是这种新型电池的涂层工艺——将细小的电池生长在砷化镓晶圆上,然后将其快速剥离,再用晶圆制作更多的电池。具体做法是将一个临时涂层放在原始砷化镓衬底上,然后将新型太阳能电池的衬底放在这个涂层之上。一旦硅片开始加工,转移喷涂工艺会将电池从砷化镓衬底转移到插入的硅片上。

目前,Semprius公司的产品正在全球14处地点进行测试。至于进入大批量生产后的成本,目前尚难以估计。不过,约翰·罗格本人提示说,西门子公司业已宣布有能力令光伏发电的成本低于火力发电。尽管,光伏发电在解决储能问题之前,无法完全取代石化能源的地位,但就目前不计补贴在内的成本水平而言,仍是可以在某些方面做出贡献。

而新的面板还具有美观的优点,可以看起来赏心悦目。至少,肯定要比燃煤火电站漂亮多了。

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