NREL高效晶體光伏高級科學(xué)家Myles Steiner說，“新開發(fā)這種光伏電池效率更高，設(shè)計更簡單，可用于各種新應(yīng)用，例如高度受限的應(yīng)用或低輻射空間應(yīng)用。”

 

美國國家可再生能源實驗室(NREL)在日前發(fā)表的一份名為“由厚量子阱超晶格實現(xiàn)具有39.5%的地面效率和34.2%的太空效率的三結(jié)光伏電池”的論文概述了其開發(fā)的詳細(xì)信息，該論文發(fā)表在《焦耳》雜志的5月刊上。

 

而NREL科學(xué)家此前在2020年創(chuàng)下了使用III-V族材料的六結(jié)光伏電池效率為39.2%的記錄。

 

最近幾款效率最高的光伏電池都是基于NREL發(fā)明的倒置變形多結(jié)(IMM)架構(gòu)。這種新增強的三結(jié)倒置變形多結(jié)(IMM)光伏電池現(xiàn)已添加到最佳研究電池效率圖表中。該圖表顯示了一些光伏電池獲得的成功，其中包括日本夏普公司在2013年開發(fā)的三結(jié)倒置變形多結(jié)(IMM)光伏電池創(chuàng)造了37.9%的記錄。

 

發(fā)電效率的提高是在對“量子阱”光伏電池的研究之后進(jìn)行的，該電池利用許多非常薄的層來改變光伏電池的特性。NREL的科學(xué)家開發(fā)了一種具有前所未有性能的量子阱光伏電池，并將其應(yīng)用到具有不同帶隙的三結(jié)的設(shè)備中，其中每個結(jié)都經(jīng)過調(diào)整以捕獲和利用太陽光譜的不同部分。

 

III-V族材料因其在元素周期表中的位置而得名，跨越廣泛的能帶隙，使它們能夠獲取不同部分的太陽光譜。其頂部結(jié)由磷化鎵銦(GaInP)制成，中間是帶有量子阱的砷化鎵(GaAs)，底部是晶格不匹配的砷化鎵(GaInAs)。經(jīng)過數(shù)十年的研究，每種材料都經(jīng)過了高度優(yōu)化。

 

高級科學(xué)家和光伏電池設(shè)計師France說，“一個關(guān)鍵因素是，雖然砷化鎵(GaAs)是一種出色的材料，通常用于制作III-V多結(jié)電池，但它并不適合三結(jié)光伏電池的帶隙，這意味著在光電流平衡方面并不是最佳的。在這里，我們通過使用量子阱修改了帶隙，同時保持了優(yōu)異的材料質(zhì)量，這使得這種光伏電池在潛在的應(yīng)用成為可能。”

 

科學(xué)家們在中間層使用量子阱來擴展砷化鎵(GaAs)電池的帶隙，并增加光伏電池可以吸收的光量。重要的是，他們開發(fā)了光學(xué)厚度的量子阱器件，并且沒有大的電壓損失。他們還學(xué)習(xí)了如何在生長過程中對GaInP頂部電池進(jìn)行退火以提高其性能，以及如何將晶格不匹配的GaInAs中的位錯密度降至最低。總之，這三種材料為新型電池設(shè)計提供了信息。

 

III-V族光伏電池以其高效率而聞名，但其制造工藝和過程成本高昂貴。到目前為止，III-V光伏電池已被用于為衛(wèi)星、無人機和其他利基應(yīng)用場合的供電。NREL的研究人員一直致力于大幅降低III-V光伏電池的制造成本，并提供替代電池設(shè)計，這將使這些光伏電池在各種新應(yīng)用中具有經(jīng)濟性。

 

新的III-V光伏電池還測試了它在太空應(yīng)用中的效率，特別是對于由光伏電池供電且高電池效率至關(guān)重要的通信衛(wèi)星，并在工作壽命初期的效率為34.2%。目前的光伏電池設(shè)計適用于低輻射環(huán)境，通過電池結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步發(fā)展，可以實現(xiàn)更高輻射的應(yīng)用。

 

NREL是美國能源部用于可再生能源和能源效率研發(fā)的主要實驗室。NREL由可持續(xù)能源聯(lián)盟有限責(zé)任公司為美國能源部運營。