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揭开太阳能电池隐藏的潜能

2021/10/13 15:56:46      材料来源:化合物半导体

美国物理学家称 III-V 太阳能电池的潜在效率可能超过 60%


太阳能电池面临的最大挑战之一是Shockley-Queisser极限,即太阳能电池可以吸收并转化为可用能量的能量有一个基本限制。俄克拉荷马大学物理学家Ian Sellers表明,广泛持有的假设是错误的。

 

Sellers 是道奇家族艺术与科学学院 Homer L. Dodge 物理与天文学系的副教授,他获得了美国国家科学基金会的 310,000 美元赠款,以证明一些常用半导体的效用显著地提高了太阳能电池的效率。

 

“人们一直认为半导体只能从太阳中转换这么多能量,因为它要么会以热量的形式损失能量,要么太阳光的能量太低而无法捕获,” Sellers说。 “人们认为这个单一的差距限制是无法克服的。”

 

“我们发现了一种物理效应,这种效应存在于已经用于太空太阳能电池的传统光电材料中,”他补充道。 “这是一种自然效应,与奇异的量子结构或过程无关,我们意识到我们可以基于已用于激光、LED 和各种有潜力的光电子器件的传统材料制造非常简单的太阳能电池。实现非常高效的太阳能电池。”

 

通过这个过程可以实现的潜在效率将迄今为止被认为是大约 30% 的行业标准限制提高到超过 60% 的突破性最大效率。

 

“太阳能电池的一个主要问题是,目前,大多数商用太阳能电池只能利用大约 20% 的太阳能,” Sellers说。 “发生的事情是,这些太阳能电池吸收了来自太阳的非常高能量的光,任何多余的能量都会转化为热量。它使材料升温,这是一种损失——传统太阳能电池无法将其转化为电能。”

 

III-V 族半导体是光电的“主力”系统,可以非常有效地产生和传导这种不需要的热量,这使得这成为传统太阳能电池的一个大问题。与亚利桑那州立大学的一位同事的对话揭示了一种潜在的新方法,可以利用这种损失的能量,并在产生热量之前更有效地将阳光转化为电能。

 

“我开始与亚利桑那州的一位理论家合作,他正在研究高迁移率晶体管,我们使用的效应对于高迁移率晶体管来说是一个问题,”Sellers说。 “我们发现能够在产生热量之前将多余的能量储存在材料中,并且我们可以将其储存在那里足够长的时间,以便我们的电荷载流子,即由光吸收产生的电子,能够在能量作为热量损失之前被潜在地提取出来。”

 

“这项工作很酷的一点是没有任何差异——它一直存在,”他补充道。 “这是一个自然过程,在某些晶体管中是一个问题,但对于太阳能来说,它可能是非常有益的。”

 

这项为期三年的赠款还将支持 Sellers 实验室的研究生和本科生获得基本设备物理和技术转让方面的实用技能。

 

“学生在这里学到的是对器件的工作原理和抑制性能改进的机制的深刻理解,以及在可以改进或以新方式使用的领域找到一个利基的重要性,” Sellers说。 “他们对学术研究与实际技术的关系有非常独特的看法。”

 

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