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迄今为止发明的最高效的太阳能电池!能源转换效率超过47.1%

2023/05/10

近日,美国国家可再生能源实验室(NREL)研发出世界上效率最高的太阳能电池,最高能量转换效率达到47.1%。尽管这些效率记录经常被打破,但47.1%的转换效率的太阳能电池目前可以称为世界上最高效的太阳能电池。最新研究成果于4月13日发表在Nature Energy上。


太阳能电池在提高其转换效率的道路上不断取得进展,正确的材料组合可以增强太阳能电池将阳光转化为电能的能力。 NREL 高效晶体光伏电池团队的首席科学家 John Geisz 表示:“这款新器件展示了多结太阳能电池的巨大潜力。”


多结太阳能电池是一种高效太阳能电池。每个电池都有多个通过分子束外延或有机金属化学气相沉积制成的薄膜,这些具有不同特征带隙的不同半导体可以吸收频谱中特定频率的电磁波的能量。


迄今为止,研究已证明硅是太阳能电池效率的黄金标准,目前仅使用硅的单结太阳能电池的效率最高可达33%。通过改变材料、增加更多节点以及在两个节点之间实施一系列工程技术,可以突破33%的效率限制。例如,一些三结太阳能电池在阳光集中的情况下转换效率可能超过45%。


NREL新开发的太阳能电池为III-V型六结结构,其中“III-V”指的是元素周期表中吸光元素的位置,III-V材料具有较宽的吸光范围特征。电池中的六个连接点均经过专门设计,它们由六种不同类型的光活性层组成,可以捕获太阳光谱特定部分的光。

通过现代工程和纳米技术,该设备总共包含约140层不同的III-V族材料层,以支持这些连接点的性能,但其宽度只有人类头发的三分之一。


为了探索这种 III-V 型六结太阳能电池的性能,NERL 的科学家用比自然阳光强度高 143 倍的集中光对其进行了测试。测试结果显示,他们的新型太阳能电池在聚光下的转换效率达到破纪录的47.1%。


尽管测试是在集中光下进行的,这对应的效率低于实际使用中实际达到的效率,但该团队表示,可以使用反射器构建将阳光聚焦在电池上的装置。研究团队还在正常阳光照射下测试了这种新型电池,其转换效率仍然达到了39.2%。虽然39.2%的转换效率看似并不突出,但它仍然创下了阳光照射下转换效率的新世界纪录。


NREL 的 John Geisz 表示,要突破 50% 的效率限制,主要障碍是降低阻碍太阳能电池电流流动的内阻。


这项研究的意义在于,正常阳光和聚光下转换效率的差异表明可能存在一种经济的方式来部署这些六结 III-V 型太阳能电池。通过使用成本相对较低的将光线集中到新型太阳能电池上的镜子,可以大大降低使用该技术的成本。随着集中度的提高,将使用更少的半导体。同时,聚集阳光也可以提高电池的效率。


多结电池的联合开发者之一、NREL 科学家 Ryan France 表示,太阳能电池的效率潜力极有可能超过 50%。事实上,与NREL研究中使用的材料相比,实现相同的效果可能最终只需要原始半导体材料的数量级甚至1/1000。这将使太阳能发电对每个人来说都更加负担得起。


此外,太阳能电池技术的这一突破还可能对其他行业产生积极影响,例如航空航天业,高效太阳能电池可用于为航天器提供动力。


总体而言,NREL 开发的世界上最高效的太阳能电池是可再生能源行业向前迈出的重要一步。由于有可能超过 50% 的效率极限,太阳能的未来看起来比以往任何时候都更加光明。


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