NREL高效晶體光伏高級科學家Myles Steiner說，“新開發這種光伏電池效率更高，設計更簡單，可用于各種新應用，例如高度受限的應用或低輻射空間應用。”

 

美國國家可再生能源實驗室(NREL)在日前發表的一份名為“由厚量子阱超晶格實現具有39.5%的地面效率和34.2%的太空效率的三結光伏電池”的論文概述了其開發的詳細信息，該論文發表在《焦耳》雜志的5月刊上。

 

而NREL科學家此前在2020年創下了使用III-V族材料的六結光伏電池效率為39.2%的記錄。

 

最近幾款效率最高的光伏電池都是基于NREL發明的倒置變形多結(IMM)架構。這種新增強的三結倒置變形多結(IMM)光伏電池現已添加到最佳研究電池效率圖表中。該圖表顯示了一些光伏電池獲得的成功，其中包括日本夏普公司在2013年開發的三結倒置變形多結(IMM)光伏電池創造了37.9%的記錄。

 

發電效率的提高是在對“量子阱”光伏電池的研究之后進行的，該電池利用許多非常薄的層來改變光伏電池的特性。NREL的科學家開發了一種具有前所未有性能的量子阱光伏電池，并將其應用到具有不同帶隙的三結的設備中，其中每個結都經過調整以捕獲和利用太陽光譜的不同部分。

 

III-V族材料因其在元素周期表中的位置而得名，跨越廣泛的能帶隙，使它們能夠獲取不同部分的太陽光譜。其頂部結由磷化鎵銦(GaInP)制成，中間是帶有量子阱的砷化鎵(GaAs)，底部是晶格不匹配的砷化鎵(GaInAs)。經過數十年的研究，每種材料都經過了高度優化。

 

高級科學家和光伏電池設計師France說，“一個關鍵因素是，雖然砷化鎵(GaAs)是一種出色的材料，通常用于制作III-V多結電池，但它并不適合三結光伏電池的帶隙，這意味著在光電流平衡方面并不是最佳的。在這里，我們通過使用量子阱修改了帶隙，同時保持了優異的材料質量，這使得這種光伏電池在潛在的應用成為可能。”

 

科學家們在中間層使用量子阱來擴展砷化鎵(GaAs)電池的帶隙，并增加光伏電池可以吸收的光量。重要的是，他們開發了光學厚度的量子阱器件，并且沒有大的電壓損失。他們還學習了如何在生長過程中對GaInP頂部電池進行退火以提高其性能，以及如何將晶格不匹配的GaInAs中的位錯密度降至最低?？傊?，這三種材料為新型電池設計提供了信息。

 

III-V族光伏電池以其高效率而聞名，但其制造工藝和過程成本高昂貴。到目前為止，III-V光伏電池已被用于為衛星、無人機和其他利基應用場合的供電。NREL的研究人員一直致力于大幅降低III-V光伏電池的制造成本，并提供替代電池設計，這將使這些光伏電池在各種新應用中具有經濟性。

 

新的III-V光伏電池還測試了它在太空應用中的效率，特別是對于由光伏電池供電且高電池效率至關重要的通信衛星，并在工作壽命初期的效率為34.2%。目前的光伏電池設計適用于低輻射環境，通過電池結構的進一步發展，可以實現更高輻射的應用。

 

NREL是美國能源部用于可再生能源和能源效率研發的主要實驗室。NREL由可持續能源聯盟有限責任公司為美國能源部運營。