勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員正在開(kāi)發(fā)一種新的商用太陽(yáng)能電池，它可利用整個(gè)太陽(yáng)的頻譜輻射，包括低能量的紅外線(xiàn)和高能量的紫外線(xiàn)。

寬帶隙半導(dǎo)體對(duì)較短的波長(zhǎng)（左）有反應(yīng)，而中寬帶隙可以對(duì)一個(gè)范圍的能量（右）有所反應(yīng)。照片由美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室提供

實(shí)驗(yàn)室材料科學(xué)部的太陽(yáng)能材料研究小組最近展示了新型的太陽(yáng)能電池，使用了在半導(dǎo)體工業(yè)生產(chǎn)中最常見(jiàn)的流程。

“成功利用全太陽(yáng)頻譜的太陽(yáng)能電池，其基本原則是要結(jié)合具不同能量隙的半導(dǎo)體，” 該小組的首席研究員Wladek Walukiewicz解釋說(shuō)。

最初，研究小組將這些不同合金層的半導(dǎo)體層層相疊，并接線(xiàn)將不同的能量隙相互串聯(lián)。

他們形成的結(jié)晶層具有不同但密切配合的銦，造成一個(gè)對(duì)全太陽(yáng)光譜敏感的光電設(shè)備。

但研究人員認(rèn)為，這種結(jié)構(gòu)仍然太復(fù)雜，即使各層互相配合亦難以制造。為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，他們提出了一個(gè)高度不匹配的碲鋅半導(dǎo)體合金。

研究人員注入氧氣作為中介劑，在兩個(gè)不同的能量帶之中加入第三種能量帶。這創(chuàng)建了三個(gè)不同的帶隙覆蓋整個(gè)太陽(yáng)光譜。

但生產(chǎn)這種合金依然復(fù)雜而費(fèi)時(shí)。此外，這些太陽(yáng)能電池大量生產(chǎn)的成本高，Walukiewicz先生說(shuō)。

尋找適合的物料

“制造全光譜太陽(yáng)能電池的關(guān)鍵是要找到合適的材料，” 研究小組成員Kin Man Yu指。

“其挑戰(zhàn)在于以中介劑來(lái)平衡組合，” 他補(bǔ)充說(shuō)。

最新的太陽(yáng)能電池是一種多波段半導(dǎo)體，由高度不匹配的砷化鎵氮化合金組成。該合金的成分類(lèi)似鎵砷化物，是目前最常見(jiàn)的半導(dǎo)體之一。

科學(xué)家用氮?dú)馊〈辖鸬囊恍┥樵?，形成可?duì)整個(gè)太陽(yáng)光譜敏感的第三中間能帶。

此外，該合金可通過(guò)有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積而成。這是一種常見(jiàn)的半導(dǎo)體生產(chǎn)過(guò)程，其中的原子薄層沉積為半導(dǎo)體晶片。

全光譜測(cè)試

研究人員以新的多波段合金來(lái)測(cè)試太陽(yáng)能電池，以確定有多少電流是由不同顏色的光所產(chǎn)生。

Walukiewicz先生指，中間帶必須進(jìn)行吸收而不具電荷，以防止短路。測(cè)試結(jié)果顯示，新的合金對(duì)光頻譜的所有部分，從紅外線(xiàn)到紫外線(xiàn)均有強(qiáng)烈的反應(yīng)。