美开发出首款光学晶体薄膜太阳能电池模型
时间:2017-12-07

  科学网 - 美国开发第一个光学晶体薄膜太阳能电池模型

  在最近的美国材料科学学会年会上,麻省理工学院的马美林教授展示了新开发的新型太阳能电池模型。新型号对原有薄膜太阳能电池进行了结构改进,使蓄电池所吸收的阳光能够保持更长时间,从而大大提高了太阳能转化为电能的效率。

  薄膜太阳能电池应用潜力巨大

  第一批使用的太阳能电池是贝尔实验室发明的可追溯到1954年的太阳能光伏电池。当时的动机是当太阳能电池的效率只有6%时,为偏远地区的供电系统提供能源。然后,从1957年苏联发射的第一颗卫星开始,到1969年美国宇航员登陆月球,太阳能光伏电池的应用得到充分利用。世界上94%的太阳能光伏电池都是由硅制成的。

  自20世纪80年代以来,有关太阳能电池的研究人员开始研究硅晶体薄膜替代技术来制造太阳能电池并取得了长足的进步。薄膜太阳能电池由于其柔韧性,便携性,耐用性和高光电转换效率,使用柔性轻质材料(例如塑料基板)。因此,在消费电子产品,远程监控/通信,军事,现场/室内电源等领域,预计将会更加实用。专家认为,未来五年,薄膜太阳能电池的成本将大幅降低,届时这种薄膜太阳能电池将被广泛应用于手表,计算器,窗帘甚至服装上。

  由于传统的太阳能电池厚度接近200微米,需要更多的材料,因此薄膜太阳能电池厚度只有几微米,具有竞争力的价格优势。但目前薄膜太阳能电池的转换效率较低,主要是由于红外等太阳能材料都是光子,在薄膜中的停留时间不够长,不足以被更多地吸收。所以这已经成为科学家克服的一个难点。

  光栅结构设计提高性能15%

  梅克林教授开发的薄膜太阳能电池仅有5微米厚,其设计原理是,新电池涂有极高反射效率的材料,而正面则涂有一层非反射涂层,所以电池可以吸收更多的红光和红外光,并将这些光线转化为电能。如此设计的薄膜太阳能电池已经比目前的商业薄膜太阳能电池更有效地修改了15%。 Memelin教授说,计算机模拟表明,这种新电池的转换效率还有35%的提高空间。

  现在常见的薄膜太阳能电池背面都涂有一层金属,通常是铝,但金属表面每次反射会损失大约30%的阳光。麻省理工学院的研究人员不是使用金属表面,而是在硅衬底上用凹槽和凸起对表面进行冲压和凸起,并在其上镀上一层具有光子特性的晶体,包括硅和两层由交替层组成的多层结构的氧化硅。

  在光学晶体结构反射太阳光之后,光栅接收反射光并以较小角度将反射光反射回到硅衬底中。反射光不会丢失,而是反射回来,延长电池停留时间内的光线,电池就能吸收更多的太阳能,更多的太阳能转化为电能。研究人员不断优化光学晶体和光栅结构,希望进一步提高薄膜太阳能电池的转换效率。

  技术问题和竞争对手

  新型光学薄膜太阳能电池尚未投入实际使用。主要障碍是研究人员目前使用的光栅化技术是干涉光刻,这是昂贵的。另外,反射面的交替层也需要手工一个接一个地施加,这是费时费力的。现在研究人员需要开发新技术,以便更大规模,更低价格地生产。太阳能电池。梅梅林教授目前正在考虑使用纳米光刻而不是干涉光刻技术。

  开美林教授的研究得到了业界的肯定,同时也遇到了一些竞争对手。美国一家公司为了提高薄膜太阳能电池的光吸收效率,在硅基板表面涂上了粗糙的纳米级粗糙度,这种电池除了能吸收红外线外,还能吸收所有的可见光,但光能转化效率的潜力还没有得到证实。

  另外,美国艾姆斯实验室也在开发光学晶体薄膜太阳能电池,但是非晶硅,它们使用铟锡氧化物层来代替硅衬底,而铟锡氧化物层上刻有许多小的矩​​阵硅柱。但是他们的太阳能电池只能提高高达15%的转换效率。唯一的好处是电池只有0.5微米,所以耗材更便宜,更便宜。

  美国的研究和发展可以卷曲太阳能电池