劳伦斯伯克利科学家创造新的全光谱太阳能电池

劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员正在开发一种新的商用太阳能电池,它可利用整个太阳的频谱辐射,包括低能量的红外线和高能量的紫外线。

劳伦斯伯克利科学家创造新的全光谱太阳能电池

宽带隙半导体对较短的波长(左)有反应,而中宽带隙可以对一个范围的能量(右)有所反应。照片由美国劳伦斯伯克利国家实验室提供
实验室材料科学部的太阳能材料研究小组最近展示了新型的太阳能电池,使用了在半导体工业生产中最常见的流程。
“成功利用全太阳频谱的太阳能电池,其基本原则是要结合具不同能量隙的半导体,” 该小组的首席研究员Wladek Walukiewicz解释说。
最初,研究小组将这些不同合金层的半导体层层相叠,并接线将不同的能量隙相互串联。
他们形成的结晶层具有不同但密切配合的铟,造成一个对全太阳光谱敏感的光电设备。
但研究人员认为,这种结构仍然太复杂,即使各层互相配合亦难以制造。为了简化结构,他们提出了一个高度不匹配的碲锌半导体合金。
研究人员注入氧气作为中介剂,在两个不同的能量带之中加入第三种能量带。这创建了三个不同的带隙覆盖整个太阳光谱。
但生产这种合金依然复杂而费时。此外,这些太阳能电池大量生产的成本高,Walukiewicz先生说。
寻找适合的物料
“制造全光谱太阳能电池的关键是要找到合适的材料,” 研究小组成员Kin Man Yu指。
“其挑战在于以中介剂来平衡组合,” 他补充说。
太阳能电池是一种多波段半导体,由高度不匹配的砷化镓氮化合金组成。该合金的成分类似镓砷化物,是目前行业最常见的半导体之一。
科学家用氮气取代合金的一些砷原子,形成可对整个太阳光谱敏感的第三中间能带。
此外,该合金可通过有机金属化学气相沉积而成。这是一种常见的半导体生产过程,其中的原子薄层沉积为半导体晶片。
全光谱测试
研究人员以新的多波段合金来测试太阳能电池,以确定有多少电流是由不同颜色的光所产生。
Walukiewicz先生指,中间带必须进行吸收而不具电荷,以防止短路。测试结果显示,新的合金对光频谱的所有部分,从红外线到紫外线均有强烈的反应。

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