NREL创造III-V太阳能电池记录

39.5%的太阳能电池在蓝光下发出红光

 

美国能源部国家可再生能源实验室（NREL）的研究人员创造了一种太阳能电池，在单太阳全局照明下的效率达到创纪录的39.5%。这是任何类型中效率最高的太阳能电池，使用的是标准的单太阳条件测量。

 

NREL高效晶体光伏（PV）小组高级科学家、该项目首席研究员Myles Steiner表示：“新电池效率更高，设计更简单，可能对各种新应用有用，例如高度面积限制或低辐射航天应用。”他与NREL的同事Ryan France、John Geisz、Tao Song、Waldo Olavaria、Michelle Young和Alan Kibbler一起参与了这一工作。

 

《焦耳》（Joule）杂志5月刊上发表的论文“厚量子阱超晶格实现的三结太阳能电池地面效率39.5%，空间效率34.2%”概述了开发的细节。

 

NREL的科学家此前在2020年创下了一项纪录，即使用III-V材料的六结太阳能电池的效率为39.2%。

 

最近几款最好的太阳能电池都是基于NREL发明的反向变质多结（IMM）结构。这种新增强的三结IMM太阳能电池现已被添加到最佳研究电池效率图表中。该图表显示了实验性太阳能电池的成功，其中包括日本夏普公司于2013年建立的先前三结IMM 37.9%的记录。

 

量子阱太阳能电池利用许多非常薄的层来改变太阳能电池的性能，其效率的提高是在量子阱太阳能电池研究之后实现的。科学家们开发了一种性能前所未有的量子阱太阳能电池，并将其应用到一种具有三个不同带隙的结的器件中，其中每个结都经过调整以捕获和利用太阳光谱的不同部分。

 

III-V材料因其在元素周期表中的位置而得名，它跨越了广泛的能带隙，使其能够瞄准太阳光谱的不同部分。顶部结由GaInP构成，中间是带量子阱的GaAs，底部是晶格不匹配的GaInAs。经过几十年的研究，每种材料都得到了高度优化。

 

资深科学家兼电池设计师France说：“一个关键因素是，虽然GaAs是一种优秀的材料，通常用于III-V多结电池，但它没有三结电池的正确带隙，这意味着三个电池之间的光电流平衡不是最佳的。我们通过使用量子阱对带隙进行了修改，同时保持了优异的材料质量，这使得该器件和潜在的其他应用成为可能。”

 

科学家们在中间层使用量子阱来扩展GaAs电池的带隙，并增加电池可以吸收的光量。重要的是，他们开发了光学厚度的量子阱器件，而没有重大的电压损失。他们还学习了如何在生长过程中退火GaInP顶部单元以提高其性能，以及如何最小化晶格不匹配GaInAs中的穿透位错密度，这在单独的出版物中进行了讨论。总之，这三种材料为新型电池设计提供了信息。

 

III-V电池以其高效率而著称，但其制造工艺在传统上很昂贵。到目前为止，III-V电池已被用于为空间卫星、无人机和其他利基应用提供动力。NREL的研究人员一直致力于大幅降低III-V电池的制造成本，并提供替代电池设计，这将使这些电池在各种新应用中经济实惠。

 

新的III-V电池在空间航天应用方面的效率也得到了测试，特别是由太阳能电池供电的通信卫星，电池的高效率对其至关重要。在寿命初期测量中，该电池的效率为34.2%。目前的电池设计适用于低辐射环境，通过进一步开发电池结构，可以实现更高的辐射应用。

 

NREL是美国能源部可再生能源和能效研究与开发的主要国家实验室。

 

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