挪威和罗马尼亚联合研究小组表示未来太阳能电池通过几个巧妙的纳米技术后效率将翻倍。


奥斯陆大学的Bengt Svensson教授利用纳米材料制作新颖太阳能电池

挪威奥斯陆的研究人员正在开发一种面向未来的环境友好型太阳能电池,他们表示,电池捕获太阳能的效率将达到现在的两倍。材料科学和纳米技术中心、奥斯陆大学物理系的教授Bengt Svensson表示他们的方案是通过结合两个不同类型的太阳能电池,以达到更大程度利用太阳光的目的。

“这些太阳能电池将会是世界上效率最高同时也是最为环保的。虽然世面上有达到相同效率的太阳能电池,但是它们既昂贵又有毒。另外我们的太阳能电池所用到的材料是大量现成的。”

据该大学Apollon杂志介绍,Svensson是挪威太阳能领域的领军研究人员,多年时间里,他领导了微纳技术实验室的大量研究项目,这一实验室是由奥斯陆大学和挪威技术研究所的科学与工业研究基金会联合建立的。

Solhet(专用高效率串联异质结太阳能电池)是挪威奥斯陆大学、谢尔的能源技术研究所和罗马尼亚的布加勒斯特理工大学联合成立的一项欧洲研究项目,该项目的物理学家们将利用纳米技术开发新型太阳能电池。

现代太阳能电池

当前99%的太阳能电池是用硅制作的,但不幸的是硅太阳能电池只能利用太阳光谱中的20%;效率的最高纪录能达到25%,但是这些电池中需要掺入稀有材料,而稀有材料都是有毒的。效率的理论极限是30%。存在这个极限是因为硅电池只能捕获太阳光中的红光,大部分的其他光波都未被吸收。

新型的太阳能电池将包含两个收集层。第一层由硅材料组成,然后利用新方法在硅层上增加第二层。第二层由氧化铜制成,用于捕获太阳光中的蓝光。

Svensson说:“我们设法制作氧化铜层,从而能从太阳光中获得3%的能量,这一世界纪录是9%。我们正在努力将这个效率提高到20%。通过这两层结合,我们对太阳光的利用效率将达到35-40%。”

在太阳能电池的面板上还有其他层物质。在背面沉积了一层玻璃保护层,同时还有一个金属层用于从电池单元中导出电流。在最上面还有一层抗反射涂层,从而保证光线较少地被反射。

传导电子

Svensson解释到:“制作宽带隙的氧化铜层的挑战在于如何使得电子在激发后被捕获而不会重新与空穴复合。我们在这方面研究了许多年,现在我们开始明白如何实现了。”

这种新型太阳能电池尚未解决的一个难题是不同层间的边界区域。Svensson说:“每一层沉积在另一层上面时,层间会发生化学反应,从而效率减弱甚至使得电池失效。”现在主要问题是捕获蓝光的光伏层同最外面起传导与保护作用的氧化锌层之间的界面。不幸的是,电子在这个边界面上会湮灭。

这两个太阳能的功能层各自都能够运行良好,但当两层沉积到一起时就出现了新的问题,会发生化学反应。Svensson评论道:“这个化学反应会导致带隙的变化,当带隙不对或者有缺陷时,电子会在被捕获之前与空穴复合。”

一个可能的解决办法就是在这两层之间再沉积一个隔离层,从而保证化学变化最小化。另一个方法就是在缓冲层沉积一些氧化镓,但是这个物质对环境不友好,纯镓是有毒的。

缓冲层薄到只有一两个纳米厚时,化学反应的作用最小。“中间的过渡层越厚,越多的电子会被阻止。这会破坏电容量。如果在缓冲层电子被阻止了,太阳能电池就无法正常工作。”


位于罗马尼亚奥维德的Wattrom公司太阳能电池生产设施

从理论到实施

缓冲层的理论模拟工作是由布加勒斯特理工大学的研究人员完成的。Laurentiu Fara教授计算模拟了太阳能电池各层的理想厚度、最合适的各层排放方式以及达到最大光伏效率的理论可行性。

Laurentiu Fara强调到:“我们对这个太阳能电池的可靠性和效益抱有很大的期望。但是我们也认识到还有很多困难需要克服。”奥斯陆大学负责这项研究工作的实验部分。谢尔能源技术研究所负责大量开发这种太阳能电池。另外,能源技术研究所是整个项目的主要成员。

能源技术研究所的Sean Erik Foss 和?rnulf Nordseth表示,“我们和挪威太阳能工业界合作多年,一起研究硅基太阳能电池的技术。现在我们投入到研究两种电池的结合,使得它们相互匹配达到最大的太阳能利用率,同时还研究光学和电学上两层之间的相互影响。”

他们表示,现在有许多的研究人员和技术公司致力于开发这种新型的太阳能电池,底部是硅太阳能层,顶部是一个特殊材料层。罗马尼亚的太阳能公司Wattrom将要证明工业制作新型太阳能电池的可行性。

(来源: 中国光学期刊网