諸平

據喬治華盛頓大學(xué)(George Washington University)2017年7月12日所提供的消息，該大學(xué)的研究人員設計出幾乎可以捕獲所有太陽(yáng)光的銻化鎵（GaSb）基太陽(yáng)能電池，光電轉化效率達到44.5%。相關(guān)研究結果于2017年7月10日在《先進(jìn)能源材料》（Advanced Energy Materials）雜志網(wǎng)站發(fā)表——Matthew P. Lumb, Shawn Mack, Kenneth J. Schmieder, María González, Mitchell F. Bennett, David Scheiman, Matthew Meitl, Brent Fisher, Scott Burroughs, Kyu-Tae Lee, John A. Rogers, Robert J. Walters. GaSb-Based Solar Cells for Full Solar Spectrum Energy Harvesting.Advanced Energy Materials，10 July 2017. DOI: 10.1002/aenm.201700345 

Credit: George Washington University

喬治華盛頓大學(xué)的科學(xué)家們設計和建造了一種新型太陽(yáng)能電池，它集成多個(gè)太陽(yáng)能電池，將其堆積成一種能夠捕獲太陽(yáng)光譜中幾乎所有不同波長(cháng)光線(xiàn)。新設計的太陽(yáng)能電池其直接將光能轉化為電能的效率達到44.5%的效率,使其可能成為世界上最高效的太陽(yáng)能電池。

這種方法不同于人們在屋頂上或田野里可以看到的一般太陽(yáng)能電池板。新設備使用了聚光光伏(Concentrator Photovoltaic簡(jiǎn)稱(chēng)CPV)太陽(yáng)能電池板,這種太陽(yáng)能電池板使用鏡頭以便將太陽(yáng)光聚集很小,形成微尺度的太陽(yáng)能電池。因為它們的大小尺度不超過(guò)1 mm²,使用更復雜材料開(kāi)發(fā)這樣小規模的太陽(yáng)能電池，可以有效降低開(kāi)發(fā)成本。

多層疊放在一起的太陽(yáng)能電池其作用就像是一種太陽(yáng)光的篩子,每一層使用的特殊材料可以吸收一組特定波長(cháng)太陽(yáng)光線(xiàn)的能量。太陽(yáng)光通過(guò)入射口到達堆疊層時(shí),已有近一半的可用能源轉換成電能。相比之下,當今最常見(jiàn)的太陽(yáng)能電池只有四分之一的可用能源轉換成電能。

喬治華盛頓大學(xué)工程和應用科學(xué)學(xué)院的研究科學(xué)家、也是此研究成果的第一作者馬修·盧姆（Matthew Lumb）說(shuō)：“太陽(yáng)光大約99%的直接照射到地球表面的能量，其波長(cháng)在250 nm和2500 nm之間,但對于高效多結太陽(yáng)能電池而言，傳統材料不能捕獲太陽(yáng)投射到地球表面的整個(gè)光譜范圍內的能量。我們的新設備能解決長(cháng)波長(cháng)光子的能源存儲問(wèn)題,這部分長(cháng)波長(cháng)的光線(xiàn)在傳統的太陽(yáng)能電池中無(wú)法加以利用而白白被浪費,因此，通過(guò)多結太陽(yáng)能電池為解決提高太陽(yáng)能利用效率提供了一個(gè)最終實(shí)現的途徑。”

雖然科學(xué)家多年來(lái)一直在向著(zhù)更高效的太陽(yáng)能電池方向進(jìn)行不斷研究,但是這種方法有兩個(gè)方面的新奇。其一，它使用一種以銻化鎵(GaSb)為底物材料家族,而GaSb底物材料通常是在紅外激光和光電探測器應用中會(huì )發(fā)現。新的以GaSb作為基礎的太陽(yáng)能電池被組裝成多層結構和效率高太陽(yáng)能電池，就是由捕獲太陽(yáng)短波長(cháng)光子的傳統基質(zhì)材料衍生的。此外,堆垛過(guò)程使用一個(gè)被稱(chēng)為轉印技術(shù)（transfer-printing）,使這些小設備的三維裝配具有高精度。

這種特殊的太陽(yáng)能電池非常昂貴,但是研究人員認為其光電轉化效率的大幅度提高是非常重要的。盡管目前所涉及的材料成本問(wèn)題,但是這項技術(shù)用于創(chuàng )建太陽(yáng)能電池依然大有前途。最終類(lèi)似的產(chǎn)品有可能投放市場(chǎng),通過(guò)高效光電轉化效率獲得的電能來(lái)補償可循環(huán)使用的昂貴的生長(cháng)基質(zhì)。

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Abstract

In this work, a multijunction solar cell is developed on a GaSb substrate that can efficiently convert the long-wavelength photons typically lost in a multijunction solar cell into electricity. A combination of modeling and experimental device development is used to optimize the performance of a dual junction GaSb/InGaAsSb concentrator solar cell. Using transfer printing, a commercially available GaAs-based triple junction cell is stacked mechanically with the GaSb-based materials to create a four-terminal, five junction cell with a spectral response range covering the region containing >99% of the available direct-beam power from the Sun reaching the surface of the Earth. The cell is assembled in a mini-module with a geometric concentration ratio of 744 suns on a two-axis tracking system and demonstrated a combined module efficiency of 41.2%, measured outdoors in Durham, NC. Taking into account the measured transmission of the optics gives an implied cell efficiency of 44.5%.

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