镓氮砷合金材料太阳能电池效率达40%

2011-1-26 10:02 来源: 中国科学院
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  硅太阳能电池的效率一般只能达到20%,效率更高的电池都很复杂,也很昂贵。据美国物理学家组织网1月24日报道,美国劳伦斯·伯克利国家实验室科研人员伍雷戴克·瓦卢克维领导的研究小组,用一种名为镓氮砷(GaNAs)合金的特殊材料和简单的组合方法,使他们制造的多带型太阳能电池效率达到40%以上。研究论文发表在近日出版的《物理评论快报》上。

  在标准半导体太阳能电池中,带隙将电池分成导带和价带,靠光子激发带隙两边的电子—空穴对来产生电流。只有能量超过带隙的光子能产生电流,这导致了太阳能能量转化的门槛:小的带隙能吸收更多光子,产生更大电流但电压不足,而大的带隙能产生更大电压却电流有限,因此大部分太阳光子不能被吸收。

  这一门槛意味着,要让太阳能电池更高效,必须在不同的板层用不同的带隙进行复杂的叠装,让电池不同部分吸收不同的太阳光谱。瓦卢克维说:“将某些半导体混合能有效提高太阳能电池的效率,但这种方法一般很复杂。目前效率达到40%的太阳能电池通常要18层半导体,而我们的技术只要4层到5层。”

  GaNAs半导体合金具有独特的电子带状结构,能使太阳能电池效率更高。瓦卢克维小组通过工程改良方法,用GaNAs合金制造了一种单一材料的多带型太阳能电池(Multiband Solar Cells),能吸收多波段的太阳光谱。

  “多年来科学家一直在研究混合半导体,改良材料属性。但他们在研究那些容易混合的半导体,而我们研究的材料很难被混合,必须使用特殊的强制方法。”当发生混合时,半导体会在带隙形成中间带的状态。瓦卢克维说:“其他高效太阳能电池形成不同带隙时用了多种半导体材料,而我们开发的半导体非常简单,只含有一种材料,却形成了多种带隙。”

  研究人员表示,估计用GaNAs合金制造太阳能电池效率将超过40%,而且比目前能达到这一效率的电池更加简单,更容易制造,应用市场更为广泛,在成本上也更合算。他们的目标是开发其商业用途,让它在市场上发挥作用。