轉換效率最高達28%的串疊型太陽能電池
發布時間:2015-01-27     來源: 中國科學報
本文摘要:疊加創造奇跡 科學家研發出轉換效率最高達28%的串疊型太陽能電池。

  若論及將太陽能轉化成電,散布于屋頂和沙漠的硅太陽能電池只能算是中等水平。當下的轉換效率冠軍是被稱為串疊型電池的復雜設備:由很多太陽能電池組成,每個電池都被優化用于吸收太陽光譜的不同部分。這種復雜性和制造串疊型電池所用的昂貴砷化鎵基半導體導致這些電池價格不菲,因此它們大多被用在太空中。不過,如今電池研究人員正開始將串疊型電池策略應用于最熱門和最便宜的新型太陽能電池材料,即一類被稱為鈣鈦礦的晶體。這點燃了追尋高效、低成本電池的新希望。
 
  “它正變成一項重點任務。”瑞士洛桑聯邦理工學院化學家MichaelGrtzel介紹說。就目前而言,研究人員仍在苦苦尋求將很多之前從未配對過的不同太陽能電池材料“嫁接”在一起。不過,最近的成功已經鼓舞了他們。“我確實相信高效的串疊型電池將在明年或后年被制造出來。”來自美國斯坦福大學的材料學家MichaelMcGehee表示。不過,Grtzel也警告說:“是否最終值得花這么大的成本是另一個問題。”
 
  這股研究的熱潮開始于去年10月。當時,IBM華生研究中心的研究人員展示了如何將由銅、鋅、錫、硫磺和硒(CZTSSe)混合制成的鈣鈦礦電池上下疊加在一起。這種串疊型電池在《應用物理快報》上被作了詳細描述,其轉換效率只有4.6%,遠低于最好的CZTSSe電池或鈣鈦礦電池本身。其中,很大一部分問題在于疊層電池上方的金屬電接觸材料阻止了多數光子通向較低疊層。
 
  現在,由McGehee和Grtzel領導的小組在很大程度上解決了這個問題。在不久前發表于《能源與環境科學》雜志網絡版的一篇論文中,研究人員報道稱,通過將鈣鈦礦電池和縮寫為CIGS的銅基電池或者更加標準的硅電池結合在一起,他們創造出了整體轉換效率高達18.6%的設備。這擊敗了轉化效率為17%的普通CIGS電池和測試中使用的轉化效率為11.7%的鈣鈦礦電池。成功的關鍵之處在于由銀納米線制成的頂級金屬接觸材料,其使得大部分光子通往下面的光吸收層。
 
  McGehee和其他人非常有信心能做得更好。上個月,來自韓國成均館大學的化學工程師Nam-GyuPark在波士頓材料研究協會的一次會議上介紹說,他和同事制造了一種轉換效率達28%的鈣鈦礦—硅串疊太陽能電池。與在標準的串疊型電池中將兩個電池上下疊層的做法相反,Park團隊將平放的高效硅電池同直立的鈣鈦礦電池結合在一起。隨后,他們利用一種被稱為分光器的設備引導高能量的藍色光子進入鈣鈦礦電池,而使低能量的紅色光子穿過分光器進入下面的硅電池。“將該技術應用到商業太陽能電池的制造中并非易事。”Grtzel表示,但它展示了將光譜分開時的潛力。
 
  這種潛力正在持續增加,主要是因為研究人員在不斷改善鈣鈦礦的“配方”。例如,由韓國化學技術研究所SangIlSeok領導的小組日前在《自然》雜志網絡版上報道稱,他們制造了一種比自身轉換效率高出18%的鈣鈦礦電池。在一項由美國國家可再生能源實驗室獨立查證的未發表研究中,該小組制造的鈣鈦礦電池轉換效率達到20.1%。
 
  Grtzel認為,通過將擁有如此高轉換效率的鈣鈦礦和最頂級的商業硅太陽能電池結合在一起,研究人員應該可以利用通常的串疊結構,便可達到Park實現的28%轉換效率。這將比最好的硅電池提高了20%。在Grtzel看來,在這個領域,如果你能有0.1%的改進,人們也會激動不已。
 
  為了使串疊型電池的總輸出功率最大化,研究人員仍需要增加鈣鈦礦電池產生的電流量,以便同硅電池的電流匹配,因為串疊型電池的電流要受到其較弱組成部件的限制。同時,來自加州大學洛杉磯分校的材料學家YangYang表示,他們還需要減少發生在兩種材料交界處的電損耗。幾十年的艱苦努力已教會研究人員如何利用太空中使用的砷化鎵電池實現上述目標。解決了鈣鈦礦電池中這些同樣存在的難題,將使得串疊型電池真正變成現實。Yang說:“我們堅信能夠做到。”
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