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带纹理的表面可保持效率并降低硅太阳能电池的厚度

从上方看,一块硅片上已经形成了一系列微小的倒金字塔形状,其形状很小,以至于它们对应于光的波长,并且可以有效地捕获光波

通过使用蚀刻到硅表面的微小倒金字塔的图案,麻省理工学院的工程师发现了一种建造硅太阳能电池的新技术,该技术可以像传统的固态硅一样有效地捕获光线,并使所用硅的厚度减少超过90%

高纯度硅占传统太阳能电池阵列总成本的40%,因此研究人员长期以来一直在寻求最大限度地提高功率输出,同时将硅用量降至最低

现在,麻省理工学院的一个团队发现了一种新方法,该方法可以将使用的硅的厚度减少90%以上,同时仍保持高效率

秘密在于蚀刻到硅表面的微小倒金字塔的图案

这些微小的凹痕,每一个都小于一米的百万分之一,可以像传统的固态硅表面一样有效地捕获光线,传统的固态硅表面的厚度要厚30倍

麻省理工学院机械工程系的博士后anastassios mavrokefalos,陈刚教授以及其他三名博士后和研究生在一篇论文《 nano letters》中报道了这一新发现

mavrokefalos说,我们认为我们的方法可以提高薄膜太阳能电池的性能,但实际上它适用于任何硅电池

他说,无论厚度如何,它都会提高效率

硅晶片图案表面横截面的扫描电子显微镜视图,揭示了由麻省理工学院研究人员开发的新技术产生的金字塔状压痕的形状

该论文的共同作者马修·布兰纳姆(matthew branham)说,如果您可以大幅减少[太阳能电池]中的硅含量,则可能会大大降低生产成本

问题是,当您将其制成非常薄时,它也不会吸收光

太阳能电池的运行分为两个基本步骤:首先,称为光子的入射光进入材料并被材料吸收,而不是从其表面反射或直接穿过

其次,当吸收光子时,电子会从原子上脱落下来,然后需要进入电线,在那里可以利用它们产生电流,而不仅仅是被其他原子俘获

不幸的是,大多数提高薄晶体硅捕获光子能力的努力,例如通过在表面上形成细小的硅纳米线森林,也极大地增加了材料的表面积,增加了电子在被形成之前在表面重新结合的机会

利用

官网 新方法避免了该问题

团队称其为微小的表面凹痕,称为倒置的纳米金字塔,可大大提高光吸收率,但表面积仅增加70%,从而限制了表面重组

使用这种方法,仅10微米(百万分之一米)厚的晶体硅片就可以像传统硅片一样有效地吸收30倍厚的光

mavrokefalos解释说,这不仅可以减少制造太阳能电池所需的昂贵的高纯度硅的数量,而且可以减轻电池的重量,进而减少框架和支撑物所需的材料

他说,潜在的成本节省不仅包括电池材料,还包括安装成本

此外,mavrokefalos和他的同事开发的技术使用的设备和材料已经是硅芯片加工的标准部件,因此不需要新的制造机械或化学药品

mavrokefalos说,它的制造非常容易,但它攻击了很多问题

为了制造微小的凹痕,研究人员使用两组重叠的激光束在称为光致抗蚀剂的材料层上沉积出非常小的孔,该材料层沉积在硅的顶部

这种干涉光刻技术可扩展到大面积

在几个中间步骤之后,使用一种称为氢氧化钾的化学物质溶解掉未被光刻胶覆盖的表面部分

mavrokefalos说,硅的晶体结构导致该蚀刻过程在表面产生所需的金字塔形状

到目前为止,该团队仅迈出了制造新型太阳能电池的第一步,即在硅晶片上生产出带图案的表面,并证明了其在捕获光方面的改进

下一步将是添加组件以生产实际的光伏电池,然后证明其效率与常规太阳能电池相当

期望新方法应产生约20%的能量转换效率,而目前最好的商用硅太阳能电池则为24%,但这仍有待实践证明

chen是电力工程学教授卡尔·理查德·索德伯格(carl richard soderberg)和麻省理工学院帕帕拉多微与纳米工程实验室的主任,他说,如果一切顺利,该系统将在不久的将来用于商业产品

chen说,这个想法是在计算机模拟中分析了多种可能的表面配置并找到在性能方面显示出最大潜在改进的布置之后才提出的

但是,世界各地的许多团队都在采用多种方法来使用不同的材料,制造方法和配置来提高太阳能电池的性能

新宝6奇迹

他说,很难选择一个赢家,但是这种方法有很大的希望

我们非常乐观地认为这是一种可行的方法

斯坦福大学材料科学与工程系副教授yi cui表示,这项工作取得了令人振奋的成果

这项工作的潜在实际影响可能是巨大的,因为它为光子管理提供了实现薄细胞的有效结构

崔说,由于硅材料的成本大大增加了太阳能电池的成本,因此开发仍然可以有效吸收光子的薄硅太阳能电池对于降低成本很重要

这项工作还包括博士后sang eon han和selcuk yerci,得到了美国能源部sunshot计划和国家科学基金会的支持

经mit新闻许可转载

官网综合报道

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