鉅大LARGE | 點擊量：574次 | 2021年09月24日
引入光學元件的未來光伏電池
太陽能產業(yè)亙古不變的命題是光伏效率。哈利·阿特沃特認為他的實驗室將顛覆現有的太陽能產業(yè)。他們正在研制一種新的太陽能面板，是現有面板光電轉換效率的兩倍以上。這位加州理工大學的材料科學教授認為這完全可能。他們在納米尺度上研究如何管理光，設計更巧妙的架構，能使光伏電池的效率有一個質的飛躍。《麻省理工科技創(chuàng)業(yè)》雜志將這項技術列為2013十項突破性技術之一。
更加有效地管理光
太陽能出現電力，是因為來自太陽的光子撞擊電池內的半導體材料，光子的能量敲松材料中的電子，使電子自由流動。
傳統(tǒng)的太陽能電池通常是100微米厚，或者更厚，由單一的半導體材料組成，通常是硅。材料只能吸收特定的一部分太陽光譜，通常也只能轉換不到20%的能量為電能，絕大部分陽光的能量都以熱能形式散失了。自1961年以來，科學家已經了解，在理想條件下，陽光照射到單個p-n結晶體太陽能電池上，出現的電能數量有一個限度。這個絕對限度，從理論上說大約是33.5%。這意味著，最多只有33.5%的入射光子能量可以被吸收，并轉換成有用的電能。目前，Sunpower公司最好的單個p-n結晶體硅電池效率為24%，阿特沃特參與創(chuàng)辦的公司阿爾塔設備（AltaDevices）的砷化鎵太陽能電池最高的光電轉化效率可達到27.6%。假如將半導體材料堆疊起來能使轉化效率大幅提高。無限p-n結晶體太陽能電池在聚光下的理論效率極限是86%。現實中，SolarJunction公司的三節(jié)電池在947倍聚光下的光電轉化效率為44%。但串聯(lián)意味著在生產電池時，大量人力物力財力消耗在元件的疊加和制作緩沖層上，也意味著電池沒法做得很薄。
為了降低成本，也因為用途更加廣泛，研究人員一直在尋求制備更薄的太陽能電池的辦法。薄膜電池能與建筑完美結合，也更容易集成在日常用品里，如背包、帳篷、救生衣，甚至電子產品里。然而，較薄的太陽能電池只能吸收較少的光線，意味著不能出現同樣多的電力。阿特沃特和他的同事們想到了一個解決方法。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
他們求助于一種奇特的光學效應，稱為光學諧振（opticalresonance）。
正如無線電天線會諧振并吸收特定的無線電波，納米光學天線也可以諧振并吸收特定波長的光。
他們利用這種效應設計了一種薄薄的納米楔形結構，這個結構吸光能力很強，能吸收70%的廣譜光線。它像一個棱鏡，將太陽光分解成6-8個不同波長的部分，每一束光顏色各不相同，但每一束光都能被不同的半導體面板吸收。
他們利用這個理念設計出三種結構，上述這一種已經做出原型。太陽光經由一塊金屬板反射并從一個獨特的角度進入這個特殊結構。它由一種透明絕緣材料制成。材料表面的涂層是多個薄膜太陽能電池，由6-8種不同的半導體材料組成。一旦光進入材料，它會遇到一系列很薄的光學過濾器。
每一個過濾器只會讓特定顏色的光通過，被特定的電池吸收，剩下的依次過濾，依次吸收。
另兩種盡管設計不同，基本的思想是一致的：那就是將傳統(tǒng)的電池和光學技術結合起來，更加有效地利用更廣的光譜，減少能源浪費。
引入光學元件的未來光伏電池
阿特沃特說，目前還不清楚哪一種設計最好，他們設想中的這種太陽能電池的轉換效率至少能達到50%，且利用光學元件把光聚攏，會減少半導體元件的使用，降低成本。但生產這種太陽能電池要復雜、精確的工藝，他自己也認為，所新增的加工成本，可以和汽車LED燈相提并論。
去年底，他的課題組獲得了來自美國能源部先進能源計劃署（ARPA-E）的240萬美元科研經費，用以開發(fā)超高光伏轉化效率（50%-70%）的太陽能光伏系統(tǒng)。
《麻省理工科技創(chuàng)業(yè)》分析，通過設計提高光電轉換效率是降低成本的最好途徑。在過去幾年里，太陽能電池板的價格直線下降，電池板的價格對降低整個系統(tǒng)的成本已經沒有太大意義，太陽能系統(tǒng)的相關費用比如布線、土地、許可等費用現在反而是大頭。提高每一個太陽能電池的效率意味著只要比原來少的面板就能生產相同的電，硬件和安裝成本即可大大降低。
太陽能產業(yè)目前進入了整合期，給新技術的更新?lián)Q代創(chuàng)造了機遇。硅谷大佬們熱衷的事業(yè)，電動汽車，民用航天器，五花八門的消費電子設備都對太陽能技術給予厚望。
經歷了硅基電池、薄膜電池，新一代的太陽能技術，核心是聚光。現在已經商用的一種聚光技術電池，和阿特沃特的思路類似，通過采用跟蹤太陽、聚光的技術，用鏡子、反射鏡或者透射鏡把光聚攏起來，聚到某一塊光電池上面，使發(fā)電量新增。這樣可以用成本比較低廉的光學聚光元件，取代和減少使用成本更為昂貴的半導體材料。目前，效率最高的是砷化鎵光電池。一家面向聚光光伏市場開發(fā)高效率多接面太陽能電池的硅谷公司SolarJunction與全球領先的半導體晶圓供應商IQE正在與歐洲航天局協(xié)商開發(fā)基于這種技術的下一代衛(wèi)星太陽能電池。
阿特沃特參與創(chuàng)辦的公司阿爾塔設備也是一家硅谷太陽能公司，一直在致力于提高電池板的光電轉化效率，即便上述新技術商業(yè)化還有距離，他們也擁有全球能效最高、最薄且柔性最佳的砷化鎵薄膜太陽能電池技術。因為這種太陽能薄膜可以無縫融入任何最終的電子產品，受到無人機、消費電子產品、汽車、遙勘等領域的青睞。目前，美軍已經采用了阿爾塔設備公司的太陽能電池，這是世界上最輕且效率最高的，小巧的兩張A4紙大小的電池板可以出現10瓦電力。
蘋果也設想過柔性太陽能薄膜電池在移動設備上的應用。今年初，媒體報道蘋果公司注冊了一項太陽能多點觸摸面板技術的專利，這種屏幕技術繼承了太陽能電池面板、多點觸摸傳感器以及光線傳感器，可以將太陽能轉化為電能并通過手機內部的能源管理單元把出現的電能儲存進電池，從而為移動設備供應更長的續(xù)航時間。
不過以目前的光電轉化效率，依賴太陽能為手機充電效率太低，法國一家公司Wysips在2013年初推出的薄膜充電產品，光照10分鐘只能接聽2分鐘電話。
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