近日,Fraunhofer-ISE 研究人员在单色光下使用光伏电池获得了68．9%的转化效率,这是迄今为止在光能转化为电能方面获得的最高效率,世界记录被再次刷新。
68．9%的效率如何创造?
ISE使用了一种由砷化镓制成的薄光伏电池,并在半导体结构的背面上应用了几微米厚的高反射导电镜,组件在858纳米激光下照射。
砷化镓,由于其在元素周期表上的位置而得名为III-V太阳能电池,砷化镓GaAs电池一直被认为效率最高的光伏电池,其超高的光电转化效率让它在空间应用中常用。
图:砷化镓外延片
由于砷化镓高昂的制造成本,地面光伏电站极少使用。《全球光伏》关注到近两年NREL首创的一种称为动态氢化物气相外延(D-HVPE)的新生长技术大大缩短了制作太阳能电池的时间,有望带来工艺成本的大幅下降,让砷化镓电池成本的平民化看到了希望的曙光。
发电原理上,研究人员介绍,在光伏电池中,被电池结构吸收的光会释放正负电荷,这些电荷被传导到电池触点的背面和正面以产生电能。当入射光的能量略高于半导体材料固有的带隙能量时,便会产生光伏效应。因此,当单色激光作为光源与合适的半导体化合物材料匹配时,理论上可以实现高效率。
据了解,这种薄膜方法在效率方面有两个明显的优势。首先,光子被捕获在电池中,靠近带隙的光子能量得到最大化吸收,同时使得传输损耗最小化,使电池更高效。其次,通过辐射复合在内部额外产生的光子被捕获并有效回收,延长了有效载流子寿命,从而增加了额外电压。
关于Fraunhofer-ISE 研究所
Fraunhofer-ISE在光伏领域已经进行了40年的前沿研究,该研究所通过对不同类别材料的研究不断提高光伏电池效率,为降低太阳能发电的成本做出了重要贡献,目前拥有面积超过1000平方米的新型实验室。
为进一步减少光伏安装所需的面积和材料使用,Fraunhofer ISE专注于叠层光伏发电,通过选择性地结合不同的光伏电池材料来突破传统的效率限制。
2020年8月,Fraunhofer-ISE直接在晶硅表面生长的III-V/Si叠层光伏电池效率创下了25．9%的纪录;2021年4月,ISE开发了一种由III-V和硅半导体制成的新型单片叠层电池,创造了35．9%的效率记录。
目前,像钙钛矿这样的新材料也带来了新的发展机遇,ISE现在的重点是优化最有前途的光伏电池技术以达到高效率,并促进叠层光伏的大规模工业生产。