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密歇根大学:“神奇”合金激发下一代太阳能电池研究

2017-06-21 131浏览 标签: 太阳能

2017年6月15日,密歇根大学的研究人员开发了一种新的半导体合金,可以捕获近红外光,该项研究朝着称为“集中器光伏电池”的下一代太阳能电池迈出了一大步。



      这种新材料更容易制造,成本至少低25%,并被认为是世界上最具成本效益的材料,可捕获近红外光,且与砷化镓半导体相兼容。


      “集中器光伏电池”收集并将阳光聚焦到由砷化镓或锗半导体制成的小型高效太阳能电池上。该技术有望实现50%以上的效率,而传统的平板硅太阳能电池已经接近了其效率极限。


       目前市面存在多种“集中器光伏电池”,其由三种不同的半导体合金制成,并层叠在一起。以分子束外延的方法喷涂到半导体晶片上,每层只有几微米厚。不同的层可以捕获太阳光谱的不同部分,通过上一层的光被下一层捕获。


       但是,通过这些电池的近红外光则不被利用。多年来,研究人员一直致力于研究一种难以捉摸的“第四层”合金,其可以夹在电池中并捕获近红外光。目前对这种合金的要求很高,其必须具有成本效益、稳定、耐用以及对红外光敏感等特点,且原子结构需要与太阳能电池中其他三层相匹配。


       集合所有正确的变量并不容易,到现在为止,研究人员一直坚持使用五种元素或更多元素的昂贵的配比才能满足要求。为了找到一个更简单的配比,Goldman的团队设计了一种新颖的方法用于保持该过程中的许多变量。研究团队发现略有不同的砷分子将更有效地与铋配对。其能够调整混合物中氮和铋的量,使其能够消除以前配比所需的额外制造步骤。此外,研究团队确定了正确的温度,使元素能够顺利混合并牢固地粘贴到基材上。

       研究的进步来自Goldman实验室的另一项创新,其简化了用于调整砷化镓半导体中化学层电性能的掺杂工艺。在掺杂过程中,研究人员应用了称为“设计杂质”的化学混合物,以改变半导体的导电性能,并赋予其类似于电池电极的正负极性,通常负极侧的是硅,正极侧的则是铍。


       铍的应用是一个问题,其具有毒性,成本极高。铍对热敏感,这限制了制造工艺的灵活性。但是,研究团队发现,通过将砷含量降低到以前被认可的程度,其可以“翻转”硅掺杂剂的极性,从而使其在正负极两侧都可以使用更便宜、更安全的元素。


      改进后的掺杂工艺和新的合金可以使“集中器光伏电池”中使用的半导体生产成本低30%,这是使高效电池实现大规模发电的重要一步。

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