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碲化镉太阳能电池制作取得重大技术突破
来源 : 科学之家   发布时间 : 2016-03-22 16:52

图片说明:图为美国第一太阳能公司(First Solar)的碲化镉薄膜太阳能电池。 图片来源:fei123.com


近日,美国能源部(DOE)下属的国家可再生能源实验室(NREL)、华盛顿州立大学(Washington State University,WSU)以及田纳西大学(University of Tennessee)的研究人员改进了碲化镉(CdTe,一种半导体)太阳能电池的最大电压,突破了其在实际应用中的限制。这种提高最大电压的最新方法是太阳能电池发展史上的里程碑事件,该方法不仅能使太阳能电池变得更加高效,更具成本效益,同时还推动了太阳能在实际中的应用。目前,这一研究成果已发表在Nature Energy上。

现今,世界各地还是主要通过常规能源发电,但科学家们一直在研究如何利用太阳能。因为常规能源大多是一次性不可再生能源,并且利用常规能源发电还会造成大量的环境污染。目前,在太阳能电池市场上,硅太阳能电池占据着90%的市场份额。目前来看,硅太阳能电池的生产成本在未来难以继续大规模降低,而碲化镉太阳能电池却能够降低太阳能电池的生产成本。在实际应用中,无论在高温、潮湿的天气下,或在低光照的情况下,碲化镉太阳能电池的性能都比硅太阳能电池要好。同时,在目前所有的太阳能利用技术中,制造碲化镉太阳能电池产生的二氧化碳量是最小的。但是,碲化镉太阳能电池一直不如硅太阳能电池高效,因此60多年来,科学家们一直在寻找提高碲化镉太阳能电池利用效率的突破点。

导致碲化镉太阳能电池低效的一个重要原因是最大电压(也叫作开路电压)低。由于碲化镉材料本身特性的限制,在过去的60年间,科学家们一直无法将碲化镉太阳能电池的最大电压提高到0.9伏特以上,这是提高其利用效率的技术难点。

该研究小组摒弃了以往的标准处理步骤,转而采用氯化镉(CdCl2,极易溶于水)来提升电池电压。研究人员将少量的磷原子放置在碲元素的晶格格位上,从而利用不同的原子间距,在材料间形成了完美的接口,最终组成了太阳能电池。这种方法通过提高多个不同的数量级,增加了碲化镉的导电性和载流子寿命,使碲化镉太阳能电池的开路电压首次突破了1伏特。这种创新的方法使太阳能电池变得更加高效,不仅大大降低了太阳能电池的生产成本,还使其成本效益高于化石燃料。该研究的领导人Kelvin Lynn认为,这一突破具有巨大意义,这是几十年来,科学家们首次将碲化镉太阳能电池的最大电压提高到0.9伏特以上。

此次高伏特值实现的关键,在于研究人员大幅改变了碲化镉晶体的制法,大大提高了纯度。研究中,NREL的研究人员用碲化镉晶体组建了太阳能电池,并使之具备了一些此前没有的特性,而WSU的研究人员发展了电池中所需的晶体材料。WSU的研究人员没有使用此前制作晶体材料所必须的技术,而是采用了一种新的熔体生长技术(即在材料的熔点下,从熔体中凝固形成单晶的方法),这种技术可以精确地控制晶体的纯度和成分。提高晶体纯度是制作过程中非常重要的一步,因此研究人员在一间具备行业标准清洁度的房间内,准备并混合了一种经过真空密封的材料。随后,他们在一个温度超过1100摄氏度的熔炉内合成了晶体,然后以每小时1毫米的速度,从下向上冷却晶体,最后将晶体切割成抛光晶片,并最终制成了碲化镉太阳能电池。

Lynn表示,其他的一些研究团队尝试过通过掺杂剂提纯,但是他们的方法无法如此准确地控制晶体的纯度,而在制作过程中,控制纯度又是最关键的。WSU的研究人员可以精准地控制制作过程中的每一步,从而得到高质量、高纯度的碲化镉晶体。(科学之家:译审/编辑:MHJ)

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