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表面刻痕可顯著降低太陽能電池成本
2012-07-06
蝕刻圖案能大幅降低太陽能電池硅用量
表面刻痕大大增加了光的吸收量
高純度的硅占據(jù)了傳統(tǒng)太陽能電池陣列總成本的40%，因此研究人員長久以來一直在尋找可最大化太陽能電池輸出功率，同時(shí)降低硅用量的途徑。現(xiàn)在，麻省理工學(xué)院(MIT)的研究團(tuán)隊(duì)找到了一種可降低硅厚度的新途徑，可在保持電池高效的基礎(chǔ)上，最高變薄90%，從而降低薄膜太陽能電池的制造成本。相關(guān)研究報(bào)告發(fā)表在近期出版的《納米快報(bào)》雜志上。
該校機(jī)械工程系的研究人員稱，這一途徑的秘密在于蝕刻在硅表面的微型倒金字塔圖案。他們使用了兩束重疊的激光束，以便在沉積于硅之上的光刻膠的表面生成特別的微小刻痕。經(jīng)過幾個(gè)中間步驟后，氫氧化鉀可溶解未被光刻膠覆蓋的表面部分，從而在材料表面產(chǎn)生希望獲得的金字塔圖案。這些微小的刻痕，每個(gè)都不足百萬分之一米，卻能夠像厚度為自身30倍的固體硅表面一樣有效地捕獲光線。這種可有效提升薄膜太陽能電池效能的新方法有望作用于任意的硅基電池。
科學(xué)家表示，如果能夠大幅降低太陽能電池中硅的用量，就能顯著降低電池的生產(chǎn)成本。但問題是，當(dāng)電池被打造得很薄時(shí)，其吸收陽光的能力將隨之降低。不過，新方法卻能克服這一問題。被研究小組稱為“倒轉(zhuǎn)納米金字塔”的表面刻痕，能大大增加光的吸收量，而表面面積只會增加70%，從而限制了表面復(fù)合現(xiàn)象的發(fā)生。表面復(fù)合是指半導(dǎo)體少數(shù)載流子在表面消失的現(xiàn)象。半導(dǎo)體表面具有很強(qiáng)的復(fù)合少數(shù)載流子的作用，同時(shí)也使得半導(dǎo)體表面對外界的因素很敏感，這也是造成半導(dǎo)體器件性能受到表面影響很大的根本原因。
基于新方法獲得的10微米厚晶體硅能夠達(dá)到和30倍厚的傳統(tǒng)硅片近似的光吸收量。這不僅能夠減少太陽能電池中昂貴的高純度硅用量，還能減輕電池的重量，并因此節(jié)約所需的電池用料，有效降低薄膜太陽能電池的材料成本和安裝成本。此外，新技術(shù)所使用的設(shè)備和材料也是現(xiàn)有硅芯片處理標(biāo)準(zhǔn)零件，因此無需更新制造設(shè)備，從而使制造的難度大幅降低，更加便于實(shí)施和操作。
迄今為止，研究團(tuán)隊(duì)只進(jìn)行了制造新型太陽能電池的第一步，即基于硅片生產(chǎn)了具有圖案的表面，并借助俘獲的光線證實(shí)了它的效能提升，下一步則需要增加組件以生產(chǎn)真實(shí)的光伏電池，并證明它的能效可與傳統(tǒng)太陽能電池相媲美。現(xiàn)今最佳的商用硅基太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率為24%，而科學(xué)家期望新途徑能夠?qū)崿F(xiàn)約為20%的能量轉(zhuǎn)換效率，但這仍需進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn)。如果一切順利，新系統(tǒng)可在不遠(yuǎn)的未來實(shí)現(xiàn)商用化，制造出更經(jīng)濟(jì)的薄膜太陽能電池，而超薄的設(shè)計(jì)也將使其應(yīng)用范圍更加廣泛。
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