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GaAs纳米线可以制造低成本太阳能电池

2021/11/16 13:05:53      材料来源:化合物半导体

挪威的研究小组展示了如何通过一层 GaAs 纳米线将当今硅太阳能电池的效率提高一倍


挪威科技大学 (NTNU) 的一个研究小组开发了一种使用半导体纳米线制造超高材料效率太阳能电池的方法。如果将其放置在传统的硅基太阳能电池之上,它可能会以低成本将当今硅太阳能电池的效率提高一倍。

 

“我们有一种通过纳米结构以非常有效的方式使用 GaAs 材料的新方法,因此我们可以仅使用通常使用的材料的一小部分来提高太阳能电池的效率,”该研究所电子系统系的博士候选人和该技术的主要开发者 Anjan Mukherjee 说。

 

高质量 GaAs 太阳能电池组件的制造成本非常高,这推动了对可以减少材料使用的技术的需求。近年来,研究人员已经意识到,与标准平面太阳能电池相比,纳米线结构可以潜在地提高太阳能电池的效率,即使该方法使用的材料更少。

 

“我们的研究小组找到了一种新方法,可以通过在纳米线结构中使用 GaAs 来制造效率比任何其他太阳能电池高十倍以上的超高功率重量比太阳能电池,”NTNU 电子系统系教授 Helge Weman 说。

 

该小组的研究已发表在美国化学学会的ACS光子学杂志上。

 

开创性方法

 

GaAs 太阳能电池通常生长在厚且昂贵的 GaAs 基板上,这几乎没有降低成本的空间。 Weman说:“我们的方法使用一种垂直站立的半导体纳米线阵列结构,在一个廉价且对工业有利的硅平台上生长纳米线。”。

 

“最具成本效益和效率的解决方案是生长一个双串联电池,在底部硅电池的顶部生长一个GaAs纳米线电池,从而避免使用昂贵的GaAs衬底。我们一直致力于将生长顶部GaAs纳米线电池的成本降到最低,因为GaAs制造成本是目前阻碍该技术发展的主要问题之一,”Weman 解释道。

 

“纳米线结构的微小足迹提供了额外的好处,因为它可以在纳米线中和硅界面上形成高质量的晶体。这有助于提高太阳能电池的性能,”该系的教授 Bjorn-Ove Fimland 说。

 

通过适当的投资和工业规模的研发项目,这项技术的开发可以是简单且具有成本效益。

 

“我们使用一种称为 MBE(分子束外延)的方法来生长纳米线,这不是一种可以大量生产材料的工具。然而,通过使用工业规模的工具,如 MOCVD(金属有机气相沉积),可以大规模生产这些基于纳米线的太阳能电池,”Mukherjee 说。

 

将该产品集成在硅电池之上可以将太阳能电池效率提高多达 40% - 与当今的商用硅太阳能电池相比,这意味着效率提高了一倍。

 

适合太空旅行

 

研究人员表示,他们的方法可以进行调整,使纳米线在不同的基板上生长,这可能为许多其他应用打开大门。

 

“我们正在探索在石墨烯等原子级薄的二维基板上生长这种类型的轻质纳米线结构。这可能为生产可用于自供电无人机、微型卫星和其他空间应用的轻质柔性太阳能电池开辟了巨大的机会,”Mukherjee说。

 

参考资料

'GaAs/AlGaAs Nanowire Array Solar Cell Grown on Si with Ultrahigh Power-per-Weight Ratio' by Anjan Mukherje et al; ACS Photonics 2021

 

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