三五族半导体与晶体硅太阳能迸出新火花,转换效率高达35.9%

由三五族半导体制成的太阳能电池转换效率成绩颇为亮眼,或许也可以说是最有机会跨出50%门槛的太阳能技术,如今德国科学家也研发出转换效率高达35.9 %的三五族太阳-晶体硅串叠型太阳能电池。

三五族半导体太阳能之所以会有如此高的成就,主要是因为三族的铝、镓、铟及五族的氮、磷、砷等元素能隙大小界于1 ~ 3电子伏特(eV),为直接能隙的半导体,都具有优异的光电转换特性以及电子传输特性,为LED、光电产业与通信技术重要半导体材料,随着5G、WiFi 6时代来临,三五族半导体更是受益群体。

2020年4月美国国家再生能源(NREL)团队研制出三五族半导体太阳能,以“六接面(six-junction)”技术实现高达47.1%转换效率,而三五族半导体也能传统晶体硅的异质集成,本次德国德国弗劳恩霍夫研究院太阳能系统研究所(Fraunhofer ISE)带来的太阳能技术便是如此。

团队通过串叠型技术,在既有晶体硅基板上以原子等级叠加三五族半导体,打造“三接面(triple-junction)”太阳能。

多接面太阳能的转换效率都颇高,主要是因为这些薄膜由不同半导体构成,以不同的能隙吸收特定光谱,达到一加一大于二的效果,生成更多的能量。根据Fraunhofer ISE的说法,经过AM1.5g阳光模拟器测试,已刷新全新世界记录,更证明串叠型晶体硅太阳能的潜力。

以外观来看,团队研发的三五族半导体-晶体硅太阳能结构很像一般的二端(two-terminal)多接面太阳能电池,Fraunhofer ISE三五族太阳光电和集中器技术博士生Patrick Schygulla表示,新设计使我们能够进一步改善电荷载子寿命,提高太阳能电池电压。

三五族半导体太阳能其实不罕见,转换效率高、重量轻,美国太空总局(NASA)早在1950年代就将该技术用在火星探测,但由于复杂的磊晶步骤与半导体工艺,成本较为高昂,应用范围无法像晶体硅太阳能般广泛,不然这项技术对于无人机、电动汽车发展都颇有帮助。

(首图来源:Fraunhofer ISE)