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近日，美國(guó)能源部國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）的研究人員研制出一種太陽電池。在單太陽光照標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量條件下，電池效率達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的39.5%，取得了各種類型太陽電池中的最高效率。

NREL高效晶體光伏小組資深科學(xué)家、該項(xiàng)目主研究員Myles Steiner表示："新電池的效率更高，設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單，可用于各種新應(yīng)用中，例如面積高度受限的應(yīng)用或低輻射空間的應(yīng)用。”

與他共事的還有NREL的Ryan France, John Geisz, Tao Song, Waldo Olavarria, Michelle Young和Alan Kibbler。

名為《厚量子阱超晶格實(shí)現(xiàn)三結(jié)太陽電池39.5%的地面效率和34.2%的空間效率》的文章概述了這一進(jìn)展的詳情，該論文發(fā)表在《焦耳》雜志五月刊上。


NREL科學(xué)家曾在2020年創(chuàng)下了一項(xiàng)記錄，即令使用III-V材料的六結(jié)太陽能電池的效率達(dá)到39.2%。

近期幾款最佳太陽電池都采用了NREL發(fā)明的倒置形變多結(jié)(IMM)結(jié)構(gòu)。這種新的增強(qiáng)型三結(jié)IMM 太陽電池已被添加到最佳研究-電池效率表中。圖表展示了太陽能實(shí)驗(yàn)電池取得的成功，包括了日本夏普公司在2013年創(chuàng)造的、37.9%的三結(jié)IMM記錄。

在對(duì) "量子阱"太陽電池進(jìn)行研究后，科學(xué)家們實(shí)現(xiàn)了效率的提升。這種電池利用許多極薄層來改變太陽電池性能?？茖W(xué)家們開發(fā)出一種量子阱太陽電池并將其用于具有不同帶隙的三個(gè)結(jié)的裝置中。其中每個(gè)結(jié)都可以捕獲和利用不同的太陽光譜。這種電池的性能是前所未有的。

III-V材料因其在元素周期表上的位置而得名。由于跨越了廣泛的能量帶隙，它們能夠瞄準(zhǔn)太陽光譜的不同部分。頂部結(jié)由磷化鎵(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)過幾十年的研究，每種材料都進(jìn)行了高度優(yōu)化。

資深科學(xué)家兼電池設(shè)計(jì)師France表示："砷化鎵是一種優(yōu)秀的材料，通常用于III-V多結(jié)電池，但關(guān)鍵之處在于，對(duì)三結(jié)電池來說，這種材料沒有完全正確的帶隙，這意味著三個(gè)電池之間的光電流平衡并不理想。在這里，我們通過使用量子阱修改了帶隙，同時(shí)保持了良好的材料質(zhì)量，這使這一裝置和其他潛在應(yīng)用成為可能。"

科學(xué)家們?cè)谥虚g層使用了量子阱來擴(kuò)展砷化鎵電池帶隙，增加電池可以吸收的光量。重要的是，他們開發(fā)的光學(xué)厚量子阱設(shè)備不會(huì)出現(xiàn)重大電壓損失?？茖W(xué)家們還在生長(zhǎng)過程中對(duì)GaInP頂層電池進(jìn)行退火處理以提升其性能，學(xué)習(xí)如何將晶格錯(cuò)位的GaInAs的線狀位錯(cuò)密度降到最低，這些將在其它出版物中討論?？偟膩碚f，這三種材料為新型電池設(shè)計(jì)提供了參考。

III-V電池以高效率而聞名，但其制造工藝歷來都很昂貴。到目前為止，III-V電池已被用于為太空衛(wèi)星、無人駕駛飛行器和其他小眾應(yīng)用供電。NREL的研究人員一直致力于大幅降低III-V電池的制造成本并提供替代電池設(shè)計(jì)，使這些電池可以經(jīng)濟(jì)的用在各種新應(yīng)用中。

研究人員還測(cè)試了新的III-V族電池在空間應(yīng)用中的效率，尤其是通信衛(wèi)星。這些衛(wèi)星由太陽電池供電，因此，高電池效率至關(guān)重要。在壽命開始時(shí)，電池的測(cè)量結(jié)果為34.2%。目前的電池設(shè)計(jì)適用于低輻射環(huán)境，而更高輻射的應(yīng)用可以通過進(jìn)一步開發(fā)電池結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。

NREL是美國(guó)能源部負(fù)責(zé)可再生能源和能效研發(fā)的主要國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，由Sustainable Energy LLC公司負(fù)責(zé)運(yùn)作。

原標(biāo)題：39.5%！NREL三結(jié)太陽電池效率創(chuàng)新記錄