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NREL创造III-V太阳能电池记录

2022/6/10 7:48:41      材料来源:化合物半导体

39.5%的太阳能电池在蓝光下发出红光
 
美国能源部国家可再生能源实验室(NREL)的研究人员创造了一种太阳能电池,在单太阳全局照明下的效率达到创纪录的39.5%。这是任何类型中效率最高的太阳能电池,使用的是标准的单太阳条件测量。
 
NREL高效晶体光伏(PV)小组高级科学家、该项目首席研究员Myles Steiner表示:“新电池效率更高,设计更简单,可能对各种新应用有用,例如高度面积限制或低辐射航天应用。”他与NREL的同事Ryan France、John Geisz、Tao Song、Waldo Olavaria、Michelle Young和Alan Kibbler一起参与了这一工作。
 
《焦耳》(Joule)杂志5月刊上发表的论文“厚量子阱超晶格实现的三结太阳能电池地面效率39.5%,空间效率34.2%”概述了开发的细节。
 
NREL的科学家此前在2020年创下了一项纪录,即使用III-V材料的六结太阳能电池的效率为39.2%。
 
最近几款最好的太阳能电池都是基于NREL发明的反向变质多结(IMM)结构。这种新增强的三结IMM太阳能电池现已被添加到最佳研究电池效率图表中。该图表显示了实验性太阳能电池的成功,其中包括日本夏普公司于2013年建立的先前三结IMM 37.9%的记录。
 
量子阱太阳能电池利用许多非常薄的层来改变太阳能电池的性能,其效率的提高是在量子阱太阳能电池研究之后实现的。科学家们开发了一种性能前所未有的量子阱太阳能电池,并将其应用到一种具有三个不同带隙的结的器件中,其中每个结都经过调整以捕获和利用太阳光谱的不同部分。
 
III-V材料因其在元素周期表中的位置而得名,它跨越了广泛的能带隙,使其能够瞄准太阳光谱的不同部分。顶部结由GaInP构成,中间是带量子阱的GaAs,底部是晶格不匹配的GaInAs。经过几十年的研究,每种材料都得到了高度优化。
 
资深科学家兼电池设计师France说:“一个关键因素是,虽然GaAs是一种优秀的材料,通常用于III-V多结电池,但它没有三结电池的正确带隙,这意味着三个电池之间的光电流平衡不是最佳的。我们通过使用量子阱对带隙进行了修改,同时保持了优异的材料质量,这使得该器件和潜在的其他应用成为可能。”
 
科学家们在中间层使用量子阱来扩展GaAs电池的带隙,并增加电池可以吸收的光量。重要的是,他们开发了光学厚度的量子阱器件,而没有重大的电压损失。他们还学习了如何在生长过程中退火GaInP顶部单元以提高其性能,以及如何最小化晶格不匹配GaInAs中的穿透位错密度,这在单独的出版物中进行了讨论。总之,这三种材料为新型电池设计提供了信息。
 
III-V电池以其高效率而著称,但其制造工艺在传统上很昂贵。到目前为止,III-V电池已被用于为空间卫星、无人机和其他利基应用提供动力。NREL的研究人员一直致力于大幅降低III-V电池的制造成本,并提供替代电池设计,这将使这些电池在各种新应用中经济实惠。
 
新的III-V电池在空间航天应用方面的效率也得到了测试,特别是由太阳能电池供电的通信卫星,电池的高效率对其至关重要。在寿命初期测量中,该电池的效率为34.2%。目前的电池设计适用于低辐射环境,通过进一步开发电池结构,可以实现更高的辐射应用。
 
NREL是美国能源部可再生能源和能效研究与开发的主要国家实验室。
 
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