六結(jié)III-V太陽能電池：功率轉(zhuǎn)化效率接近50%

據(jù)美國“清潔技術(shù)新聞和評論網(wǎng)站”報道，美國國家可再生能源實(shí)驗室（NREL）日前研制出迄今為止世界上最高效的六結(jié)III-V型太陽能電池，最高功率轉(zhuǎn)換效率達(dá)到驚人的47．1%，超過了33%的理論極限值，非常接近50%的范圍。該項研究成果論文通訊作者、研究團(tuán)隊成員、NREL高效晶體光電池小組的首席科學(xué)家約翰·蓋斯表示：“太陽能電池在提高轉(zhuǎn)換效率的道路上不斷向前邁進(jìn)，正確的材料組合可提高太陽能轉(zhuǎn)換為電能的能力，六結(jié)III-V太陽能電池展示了多結(jié)太陽能電池的巨大潛力”。

NREL最新研制出的III-V型六結(jié)結(jié)構(gòu)的太陽能電池，每個結(jié)點(diǎn)都經(jīng)過專門設(shè)計，由六種不同類型的光敏層組成，可以捕獲來自太陽光譜中特定部分的光。通過現(xiàn)代工程和納米技術(shù)，該裝置總共包含約140層不同III-V材料層，以支持這些連接點(diǎn)的性能，但其寬度卻僅僅是人們頭發(fā)絲的三分之一。

為了檢測六結(jié)III-V型太陽能電池的性能，NREL研究團(tuán)隊在聚集的光線下進(jìn)行了測試，其強(qiáng)度是自然太陽光強(qiáng)度的143倍。結(jié)果表明，功率轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了創(chuàng)紀(jì)錄的47．1%。盡管測試是在聚集的光線下進(jìn)行的，實(shí)際使用中轉(zhuǎn)換效率可能有所下降，但研究團(tuán)隊表示，可采用反射鏡構(gòu)建的設(shè)備將太陽光聚焦到電池上。與此同時，研究人員還在正常的太陽光照下進(jìn)行了測試，轉(zhuǎn)換效率仍達(dá)39．2%。“將太陽能電池效率的潛力超過50%在實(shí)際上是非常可能實(shí)現(xiàn)的”，研究團(tuán)隊成員、NREL高效率晶體光伏組的首席科學(xué)家萊恩·弗蘭斯指出，但“由于熱力學(xué)的基本限制，物體總在與外界交換能量，所以轉(zhuǎn)換效率無法達(dá)到100%”。

吸收光譜中特定頻率的電磁波能量

研究證實(shí)，硅是太陽能電池效率的黃金標(biāo)準(zhǔn)，單結(jié)硅太陽能電池目前最高轉(zhuǎn)換效率為33%，然而采用更換材料和增加更多結(jié)點(diǎn)等一系列工程技術(shù)可以突破33%限制。某些三結(jié)太陽能電池在陽光集中的情況下功率轉(zhuǎn)換效率可超過45%。作為一種高效率的太陽能電池，多結(jié)太陽能電池有多個采用分子束外延或有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積法生成的薄膜，這些薄膜所構(gòu)成的半導(dǎo)體有不同的特征能隙，而這些能隙可以吸收光譜中特定頻率的電磁波能量。

III-V族化合物是元素周期表中III族的B、Al、Ga、In和V族的N、P、As、Sb形成的化合物，主要包括砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）和氮化鎵等，具有廣泛的光吸收特性。III-V太陽能電池本身是薄膜形式的，通常只有幾微米厚，還可從基板上移除，制成可彎曲的輕便柔性太陽能電池，該特性在航空航天應(yīng)用中極具價值，因為電池的重量直接關(guān)系到總系統(tǒng)的重量，也就是成本。另外，能將電池貼合到非平面上也是至關(guān)重要的。除具有優(yōu)異的光學(xué)和電子特性之外，III-V還可在多結(jié)結(jié)構(gòu)中生長，從而減少熱損失并提高效率。與晶體硅（c-Si）太陽能電池相比，III-V太陽能電池由于其優(yōu)異的耐輻射性和在極端溫度等惡劣環(huán)境下的良好性能，可在空間應(yīng)用中使用數(shù)十年。III-V太陽能電池的低溫度系數(shù)和良好的低光性能，可實(shí)現(xiàn)不同位置條件下比c-Si更高的能量產(chǎn)率。

用于聚光太陽能發(fā)電（CSP）技術(shù)

NREL對III-V太陽能電池進(jìn)行了多年的持續(xù)研究，六結(jié)III-V太陽能電池的研制工作還得到了美國能源部太陽能技術(shù)辦公室的資助。NREL 2019年曾與韓國高級科學(xué)技術(shù)研究院的科學(xué)家合作開發(fā)了一種利用可重復(fù)使用的鍺襯底生產(chǎn)砷化鎵（GaAs）太陽能電池的方法。GaAs屬于III-V族化合物半導(dǎo)體材料，其能隙與太陽光譜較匹配，且耐高溫。與c-Si太陽能電池相比，GaAs太陽能電池具有較好的性能。

NREL在2018年曾與總部位于芝加哥的微鏈設(shè)備公司(MicroLink Devices)合作生產(chǎn)了三結(jié)外延剝離技術(shù)(ELO)太陽能電池薄板，能產(chǎn)生37．75%的功率轉(zhuǎn)換效率，順利通過了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)AM1．5G的測試。37．75%的功率轉(zhuǎn)換效率是目前15．24 cm(6英寸)GaAs基生產(chǎn)平臺三結(jié)ELO太陽能電池的最高報告紀(jì)錄。ELO太陽能電池所設(shè)計的在1-sun AM0光譜下的單位功率超過了3 000 W/kg，是目前世界上最新紀(jì)錄。

III-V太陽能電池組件價格超過150美元/W，是主流的c-Si晶硅和碲化鎘（CdTe）太陽能電池價格的400倍，所以，進(jìn)一步降低居高不下的生產(chǎn)成本是當(dāng)下最緊迫的問題。這種太陽能電池的產(chǎn)量還比較小，目前只有一些無人駕駛飛行器、衛(wèi)星等高尖端領(lǐng)域和軍事應(yīng)用上才能接受這個價格。“為了給六結(jié)III-V太陽能電池開辟新的市場，NREL正積極開展降低電池成本的研究”，蓋斯提出，“其中的一種方法是減少所需的面積，可通過使用鏡子捕獲光線并將光線聚焦到一點(diǎn)來做到，這非常適合于聚光太陽能發(fā)電（CSP）技術(shù)”。

CSP使用光學(xué)裝置匯聚太陽輻射能投射到集熱管道，加熱管內(nèi)工質(zhì)，借助工質(zhì)傳遞熱量，加熱循環(huán)水產(chǎn)生推動汽輪機(jī)的蒸汽，由蒸汽機(jī)帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。具體來說，就是使用一個類似于相對低價的匯聚光線的鏡子，將光線匯聚在III-V太陽能電池上，便能大大降低該技術(shù)的使用成本。通過聚光能使用更少的半導(dǎo)體材料，與此同時，集中光線也會使電池的效率有所提高。弗蘭斯認(rèn)為，與傳統(tǒng)的硅太陽能電池相比，達(dá)到相同的效果最終可能僅使用原有半導(dǎo)體材料數(shù)量級的1/100甚至1/1 000。

在奧巴馬政府期間，美國能源部展示了CSP技術(shù)，但當(dāng)時在市場上并不受歡迎。近年來隨著美國能源部興趣的持續(xù)增強(qiáng)，CSP技術(shù)發(fā)展迅速，重點(diǎn)是熱能和能量存儲，特別是太陽能中高溫?zé)崂妙I(lǐng)域。而NREL研發(fā)的六結(jié)III-V型太陽能電池可能為CSP行業(yè)提供了另一條追求太陽能中高溫?zé)崂玫耐緩健Ｗ鳛楦呖萍寄茉赐顿Y者，比爾·蓋茨也涉足高溫CSP領(lǐng)域。