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NREL和UNSW将双结太阳能电池效率纪录提高到32.9%

2020/12/30 20:26:02      材料来源:semiconductor-today

美国能源部的国家可再生能源实验室(NREL)和澳大利亚的新南威尔士大学(UNSW)创造了具有双光吸收层的电池,能将32.9%的太阳光转化成电能,创造了双结太阳能电池能量转换效率的新纪录。具体请见 Myles A. Steiner et al, ‘High Efficiency Inverted GaAs and GaInP/GaAs Solar Cells With Strain‐Balanced GaInAs/GaAsP Quantum Wells’, Advanced Energy Materials, 13 December 2020

该电池设计的关键是一系列超过150层超薄层的交替半导体,这使得在电池底部的吸收器形成了量子阱,因此可以从太阳光谱的关键范围内捕获能量。尽管新纪录仅比之前的32.8%的效率纪录稍有改善,但它是首个使用应变平衡结构纪录效率的多结太阳能电池,这种设计有望进一步改进。

这些电池的顶部结具有砷化镓铟(GaInP)层,而底部结的砷化镓(GaAs)与80个量子阱堆叠层形成叠层。

量子阱提供了可能性

底结中如此多的量子阱降低了结的有效带隙,增加了其吸收的光波长。捕获更长的波长可使串联电池能够从太阳光谱中吸收更多的能量,从而使电池效率更高。

 
习惯上,量子阱主要用于激光器,LED和通讯电子设备中。作为开发过程的一部分,NREL团队制备的单结电池具有很高的外部辐射效率(> 40%),即反向运行时该电池将电能转化为光的效率。尽管该团队并未尝试制造LED器件,但他们的高质量量子阱也展示了这方面的一些潜力。

应变平衡打破新纪录

此前的工作尝试使用量子阱来调整太阳能电池结的带隙,但并未制备出任何具有纪录效率的电池,部分原因是多层的高质量量子阱材料难以生长。如果各层变得太厚或晶格内的机械应变无法适当平衡,则电池会产生缺陷。

对于打破纪录的电池,研究小组将砷化铟镓和磷砷化镓交替进行压缩和拉伸。通过仔细控制这些层的厚度,压应力和张应力在层之间得到平衡。在整个生长过程中,使用了阵列激光器来测量晶片的曲率,使研究人员能够检测和调节晶格中的应力。

NREL团队的高级科学家Myles Steiner说:“这项工作将导致高效率的太阳能电池用于单星应用,这可能是推动这些电池广泛应用的重要因素。现在,面临的主要挑战是如何以有成本竞争力的方式制造这些电池。”

全球合作

该电池的设计源于NREL高效晶体光伏研究小组和新南威尔士大学( UNSW )团队的密切合作。实际上在2020年初,Steiner与澳大利亚的合作者在新南威尔士度过了三个月的时间,作为富布赖特学者计划(Fulbright Scholars Program)的一员对该项目进行了研究。

领导UNSW团队的Nicholas Ekins-Daukes说:“我们的合作伙伴将NREL在外延生长方面的长期专业知识与UNSW在太阳能电池建模方面的工作融合,进行了有效的远距离合作。让我印象深刻的是,我们以极快的速度开发出首个复合的应变平衡半导体材料,超越了传统太阳能电池。”
 
 
 
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