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研究人员对太阳能材料的高能效有了关键的了解

要闻 2020-01-06 16:58:39

点缀在风景和屋顶上的一排排蓝色太阳能电池板通常是由晶体硅制成的。晶体硅是几乎所有电子设备中都有的一种常用半导体材料。

在过去的十年中,科罗拉多州立大学的研究人员通过制造和测试超越硅能力的新材料,引领了改善太阳能性能和成本的开创性研究。他们专注于一种有望取代硅的材料,即碲化镉。

在与英国拉夫堡大学的合作伙伴的合作中,CSU国家科学基金会支持的下一代光伏研究中心的研究人员报告了一个关键的突破,即碲化镉薄膜太阳能电池的性能如何通过添加另一种材料硒得到进一步改善。他们的研究结果发表在本月早些时候的《自然能源》杂志上,并成为一篇“新闻与观点”文章的主题。

“我们的论文直接涉及到对碲化镉和硒的合金化反应的基本理解,”新一代光伏中心主任、机械工程系副教授库尔特·巴特(Kurt Barth)说。

到目前为止,人们还不太清楚为什么硒的添加打破了碲化镉太阳能电池效率的记录——能量输出与光输入的比率——刚刚超过22%。Barth和他的合作者W.S. Sampath、Amit Munshi以及一个国际团队一起解开了这个谜团。他们的实验表明,硒克服了碲化镉晶体中原子级缺陷的影响,为更广泛、更便宜的太阳能发电提供了一条新途径。

CSU团队在实验室中制作的碲化镉薄膜的材料用量是传统硅太阳能板的100倍。因此,它们更容易制造,而且它们吸收的阳光几乎是理想的波长。碲化镉光伏电池生产的电力是太阳能产业中成本最低的,在世界许多地区都低于化石燃料。

根据这篇论文,当阳光照射经过硒处理的太阳能电池板时产生的电子不太可能在材料的缺陷处被捕获和丢失,这些缺陷位于晶体颗粒生长时的边界处。这增加了从每个太阳能电池中提取的能量。通过使用先进的沉积方法在CSU制造材料,该团队通过测量含硒面板发出的光量发现了这一意想不到的行为。

由于硒并不是均匀地分布在面板上,他们比较了硒含量很少甚至没有的区域和硒含量非常高的区域发出的荧光。

这篇论文的主要作者、拉夫堡大学的博士生汤姆·菲德西亚(Tom Fiducia)与迈克尔·沃尔斯(Michael Walls)教授一起工作。“当你看到富硒地区的亮度比纯碲化镉高得多的数据时,你就会发现这是非常明显的,而且这种效应非常强。”

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