科学家宣布超薄太阳能组件效率创记录

  • 2022年04月26日
  • 作者: Selina Shi

    Selina Shi

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  • 翻译: Selina Shi

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图片来源:网络

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来自Surrey大学和伦敦帝国学院的一个研究小组与阿姆斯特丹研究机构AMOLF合作研发了一种方法,这种方法将太阳能光伏组件的能量吸收水平提升了25%。

研究人员称,他们的太阳能电池组件厚度只有一微米(1μm),与其他同样厚度的电池组件相比,可以更有效的将光转化为电,为更容易的生产更清洁、更绿色的能源铺平了道路。

超均匀无序模式

在美国化学学会《光子学》期刊发表的论文称,通过关注超薄硅(约1微米)的吸收特性,团队证明了超均匀无序(HUD)模式可以带来的轻量化、灵活、高效的强大光伏性能。

HUD模式由硅壁的二维网络组成,类似于黑色蝴蝶翅膀中的底层蜂巢结构。目前的3D纳米光子硅片设计只能通过太阳能电池的阻抗匹配来防止光反射,但它无法扩展光子吸收所需的、硅电池中的光路。

Surrey大学先进技术研究所的Marian Florescu博士表示:"使用硅材料的挑战之一是,近三分之一的光会直接从硅上反射而不会被吸收,因此无法利用能量。穿过硅的纹理层有助于解决这个问题,我们的蜂窝设计无序但超均匀,取得了极大成功。”

超均匀无序介质是各向同性的(在所有方向上都具有相同的性质)并且具有约束随机性。这样,大尺度上的密度波动表现得更像有序固体波动。HUD是一种高度灵活的介质,以独特的方式控制光的传输、发射和吸收。

在这项研究中,研究小组在一块1微米(∼1μm)厚的硅板上实现了光吸收,与没有模式的硅板相比,当使用优化的HUD模式进行纹理处理时,在400-1000纳米的波长范围内,实现了两倍以上的光吸收。

所获得的吸收水平是迄今为止在一微米厚的硅片上可取得的最高水平。为了实现这一目标,研究人员采用了HUD模式的K空间设计(一组代表MR图像空间频率的数字阵列)方法,将HUD模式与定制的散射光谱和太阳辐照衍射耦合到硅板的引导模式中。

衍射是如何帮助光吸收的?

研究小组重点研究了纳米结构光捕获和载流子重组之间的平衡。在调查中,他们发现,几种优化的HUD设计和最先进的硅光伏技术可以获得20%以上的效率。

团队在吸收器中使用衍射方法来增强对超薄光伏的光捕获。吸收总量是由每个模式的耦合份额相加实现的。

为了最大限度的提高板坯中的阳光吸收,研究小组有效耦合了350纳米-1100纳米波长的松散模式。由于一微米硅板中存在多种模式,入射光的衍射范围可以从~15微米-~20微米提升到1微米,确保所有光线都有一个耦合模式。

根据Delaunay tessellation协议(基本计算几何结构),团队使用200纳米高的硅墙装饰二维HUD点模式,形成一个连续的硅网络。

然而,由于3D纹理严重破坏了硅板波长,两相设计的光吸收不再被视为最佳状态。研究人员随后考虑了功率谱密度(PSD),即2D设计的傅里叶变换,以更好地表示散射强度。Delaunay tessellation协议使生成的3D网络变得近乎超均匀。

通过墙网使用两种材料装饰点的模式,团队成功的在最薄的硅板中展示了光捕获效应。

在实验室里,团队实现了26.3mA/cm2的吸收率,比2017年9.72 mA/cm2的此前记录提升了25%。团队确保了21%的效率,预计进一步的改进会推动这一数字的提升,从而使效率明显高于许多商业化光伏产品。

除了改善太阳能发电外,这一发现还可以使与光管理和表面工程至关重要的其他行业受益,如光电化学、固态光发射和光电探测器。

此前,来自ICFO、伦敦帝国理工学院和伦敦大学学院的一个国际研究小组声称,已开发出一种新的无序设计技术来开发高效超薄太阳能电池。

(责任编辑:Selina Shi)

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