新研究实现太阳能电池更大的转换效率

2018-04-24

近日,华威大学的物理学家在《科学》杂志上发表了一项最新的研究(通过该杂志的第一个版本页),通过物理地破坏光伏电池中所使用的半导体的每一个晶体结构,从而可以从太阳能电池中挤出更多的能量。

这篇题为“柔光光伏效应”的论文是由Marin Alexe教授、Ming-Min Yang和Dong Jik Kim共同撰写的,他们都是在华威大学物理系进行相关研究。

上图是艺术家对这一现象的一种艺术化处理,通过对光伏电池所使用的半导体中的每一个晶体进行一定的物理变形,从而将更多的能量从太阳能电池中挤出。图片来源:英国华威大学/ Mark Garlick

Warwick研究人员研究了目前大多数商业太阳能电池设计的物理约束,这些电池对其效率有绝对的限。大多数商业太阳能电池是由两层形成的,它们的边界是两种半导体之间的连,具有正电荷载流子的p型(可以被电子填充的空穴)和带负电荷载流子(电子)的n型。

当光被吸收时,两个半导体的结维持内部场在相反方向上分裂光激发载流子,从而在结上产生电流和电压。如果没有这样的连,能量就无法被收集,光离开的载体将很快地重新组合,从而消除任何电荷。

这两个半导体之间的连是获得这种太阳能电池的动力的基础,但它具有效率限。这个Shockley Queisser极限意味着在理想条件下太阳光落在理想太阳能电池中的所有功率只有最大33.7%可转化为电能。

然而,有些材料可以收集太阳或其他地方的光子产生的电荷。块状光伏效应发生在某些半导体和绝缘体中,在它们的中心点(它们的非中心对称结构)中缺乏完美对称性,使得能够产生比该材料的带隙更大的电压(带隙为间隙)。在电子带能量最高的范围内,电子通常存在于绝对零度温度和电能流动的导带中。

不幸的是,已知的表现出反常光伏效应的材料具有非常低的发电效率,并且从未在实际发电系统中使用。

Warwick团队想知道是否有可能采取已经有效用于商业太阳能电池中的半导体,通过某种方式操纵或推动他们,使他们也可以被迫形成一个非中心对称结构,因此可能也受益于整体光伏效应。

对于这篇论文,他们决定用原子力显微镜设备的导电尖端将实现这些半导体的形变,然后用它们来挤压和导致钛酸锶(SrTiO3)、二氧化钛(TiO2)和硅(Si)等各种晶体的变形。

他们发现,所有三个都可以以这种方式变形,也给它们一个非中心对称结构,并且它们确实能够提供整体光伏效应。

来自华威大学的Marin Alexe教授说, “体光伏效应获益的材料的范围扩大,将有几个优点:不需要形成任何类型的结;任何具有更好的光吸收的半导体都可以被选择用于太阳能电池,最后,功率转换效率的热力学极限。即可以克服所谓的肖克利奎伊瑟极限((Shockley Queisser Limit)。当然这个过程中存在工程上的挑战,但也是应该可以创建太阳能电池的,其中简单的基于玻璃的尖端(一亿厘米/秒)的场可以保持在张力下,以充分地形成每个半导体晶体。如果这种未来的工程能增加一个百分点的效率,它将对太阳能电池造商和电力供应商具有巨大的商业价值。”

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