光电转换效率达44.5%的太阳能电池

诸平

据乔治华盛顿大学(George Washington University)2017年7月12日所提供的消息，该大学的研究人员设计出几乎可以捕获所有太阳光的锑化镓（GaSb）基太阳能电池，光电转化效率达到44.5%。相关研究结果于2017年7月10日在《先进能源材料》（Advanced Energy Materials）杂志网站发表——Matthew P. Lumb, Shawn Mack, Kenneth J. Schmieder, María González, Mitchell F. Bennett, David Scheiman, Matthew Meitl, Brent Fisher, Scott Burroughs, Kyu-Tae Lee, John A. Rogers, Robert J. Walters. GaSb-Based Solar Cells for Full Solar Spectrum Energy Harvesting. Advanced Energy Materials，10 July 2017. DOI: 10.1002/aenm.201700345

Credit: George Washington University

乔治华盛顿大学的科学家们设计和建造了一种新型太阳能电池，它集成多个太阳能电池，将其堆积成一种能够捕获太阳光谱中几乎所有不同波长光线。新设计的太阳能电池其直接将光能转化为电能的效率达到44.5%的效率,使其可能成为世界上最高效的太阳能电池。

这种方法不同于人们在屋顶上或田野里可以看到的一般太阳能电池板。新设备使用了聚光光伏(Concentrator Photovoltaic简称CPV)太阳能电池板,这种太阳能电池板使用镜头以便将太阳光聚集很小,形成微尺度的太阳能电池。因为它们的大小尺度不超过1 mm²,使用更复杂材料开发这样小规模的太阳能电池，可以有效降低开发成本。

多层叠放在一起的太阳能电池其作用就像是一种太阳光的筛子,每一层使用的特殊材料可以吸收一组特定波长太阳光线的能量。太阳光通过入射口到达堆叠层时,已有近一半的可用能源转换成电能。相比之下,当今最常见的太阳能电池只有四分之一的可用能源转换成电能。

乔治华盛顿大学工程和应用科学学院的研究科学家、也是此研究成果的第一作者马修·卢姆（Matthew Lumb）说：“太阳光大约99%的直接照射到地球表面的能量，其波长在250 nm和2500 nm之间,但对于高效多结太阳能电池而言，传统材料不能捕获太阳投射到地球表面的整个光谱范围内的能量。我们的新设备能解决长波长光子的能源存储问题,这部分长波长的光线在传统的太阳能电池中无法加以利用而白白被浪费,因此，通过多结太阳能电池为解决提高太阳能利用效率提供了一个最终实现的途径。”

虽然科学家多年来一直在向着更高效的太阳能电池方向进行不断研究,但是这种方法有两个方面的新奇。其一，它使用一种以锑化镓(GaSb)为底物材料家族,而GaSb底物材料通常是在红外激光和光电探测器应用中会发现。新的以GaSb作为基础的太阳能电池被组装成多层结构和效率高太阳能电池，就是由捕获太阳短波长光子的传统基质材料衍生的。此外,堆垛过程使用一个被称为转印技术（transfer-printing）,使这些小设备的三维装配具有高精度。

这种特殊的太阳能电池非常昂贵,但是研究人员认为其光电转化效率的大幅度提高是非常重要的。尽管目前所涉及的材料成本问题,但是这项技术用于创建太阳能电池依然大有前途。最终类似的产品有可能投放市场,通过高效光电转化效率获得的电能来补偿可循环使用的昂贵的生长基质。

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Abstract

In this work, a multijunction solar cell is developed on a GaSb substrate that can efficiently convert the long-wavelength photons typically lost in a multijunction solar cell into electricity. A combination of modeling and experimental device development is used to optimize the performance of a dual junction GaSb/InGaAsSb concentrator solar cell. Using transfer printing, a commercially available GaAs-based triple junction cell is stacked mechanically with the GaSb-based materials to create a four-terminal, five junction cell with a spectral response range covering the region containing >99% of the available direct-beam power from the Sun reaching the surface of the Earth. The cell is assembled in a mini-module with a geometric concentration ratio of 744 suns on a two-axis tracking system and demonstrated a combined module efficiency of 41.2%, measured outdoors in Durham, NC. Taking into account the measured transmission of the optics gives an implied cell efficiency of 44.5%.

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