光柵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提高效能15%
開麥林教授研制的薄膜太陽能電池只有5個微米厚，他們的設(shè)計(jì)原理是，在新電池的背面鍍上反射效率極高的物質(zhì)，而在正面涂上一層沒有反射功能的涂層，這樣電池就能吸收更多的紅色光線及紅外線，并將這些光線轉(zhuǎn)換成電能。通過如此改造設(shè)計(jì)的薄膜太陽能電池比目前商用薄膜太陽能電池的效率提高了15%。開麥林教授表示，通過計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)表明，這種新型電池的轉(zhuǎn)化效率還有35%的提高空間。
現(xiàn)在常見的薄膜太陽能電池背面都鍍有一層金屬，通常是鋁金屬，但金屬表面每次反射會損失大約30%的太陽光。而麻省工學(xué)院的研究人員沒有使用金屬表面，而是在硅基層上刻著凹槽和凸起，使表面形成光柵，然后在表面鍍上一層具有光子特性的晶體，即由硅和二氧化硅交替組成的多層結(jié)構(gòu)。
這種光學(xué)晶體結(jié)構(gòu)反射太陽光后，光柵接收到這些反射光并以更低的角度將這些反射光重新反射回硅基層內(nèi)，反射光并沒有損失，而是重新被反射回來，延長了光在電池內(nèi)的停留時間，電池也就能吸收更多的太陽能，將更多的太陽能轉(zhuǎn)化成電能。研究人員正在繼續(xù)優(yōu)化光學(xué)晶體和光柵結(jié)構(gòu)，希望進(jìn)一步提高這款薄膜太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率。
技術(shù)難題和競爭對手
這款新型光學(xué)薄膜太陽能電池目前還無法投入實(shí)際運(yùn)用。主要障礙在于，研究人員目前使用的光柵雕刻技術(shù)是干涉微影技術(shù)，這種技術(shù)成本很高。另外，反射面的交替層也需要一個個手工鍍上去，非常消耗時間和人力，現(xiàn)在研究人員需要研制新的技術(shù)，以便能夠更大規(guī)模地和以更低的價格生產(chǎn)這種應(yīng)用潛力巨大的新型太陽能電池。開麥林教授目前正在考慮用納米影印術(shù)取代干涉微影技術(shù)。
開麥林教授的研究得到了業(yè)內(nèi)肯定，但也遇到一些競爭對手。美國一家公司為了提高薄膜太陽能電池的吸光效率，將硅基層表面鍍上納米級凹凸不平的粗糙結(jié)構(gòu)，這樣的電池除了能夠吸收紅外線外，還能吸收所有的可見光，但光能轉(zhuǎn)化效率的潛能目前還沒有得到證明。
另外，美國埃姆斯實(shí)驗(yàn)室也在研制光學(xué)晶體的薄膜太陽能電池，只不過是非晶硅的，他們用銦錫氧化物層取代硅基層，并在銦錫氧化物層內(nèi)刻有許多極小的硅柱組成的矩陣。但是他們的太陽能電池最多只能將轉(zhuǎn)化效率提高15%，唯一的優(yōu)勢在于電池只有0.5個微米，因而耗材更少，價格更便宜。
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