工程师设计出效率更高，成本更低的新型太阳能电池

一种具有硅锗滤光片的硅太阳能电池，采用阶梯式电池设计（大型），而在硅阶梯式电池概念验证的太阳能电池上采用磷化砷化镓层（小型）。

麻省理工学院和马斯达尔科学技术学院的工程师开发了一种新的太阳能电池，该太阳能电池结合了两层不同的吸收阳光的材料，可以收集更广泛的太阳能量。

在世界许多地区，太阳能发电的价格已开始与便宜的化石燃料发电价格相提并论，但清洁能源仍然仅占全球电力结构的1％以上。

将太阳能转换成电能的太阳能电池（光伏电池）在全球范围内促进太阳能发电方面发挥着重要作用，但是研究人员在扩大该技术的应用方面仍然面临限制。例如，开发能够以非常低的成本将大量的阳光转化为可用电能的非常高效率的太阳能电池仍然是一个巨大的挑战。

麻省理工学院和马斯达尔科学技术研究所的一组研究人员可能已经找到了解决效率与成本之间似乎难以解决的权衡的方法。该小组开发了一种新的太阳能电池，该电池结合了两层不同的吸收阳光的材料，可以收集更广泛的太阳能量。研究人员称该设备为“阶梯状电池”，因为这两层以逐步的方式排列，下层突出于上层下方，以使两层都暴露在入射的阳光下。这种分层或“多结”太阳能电池的制造成本通常较高，但研究人员还对其阶梯式电池使用了新颖，低成本的制造工艺。

团队的步进单元概念可以达到40％以上的理论效率，估计的实际效率为35％，这促使团队的主要研究人员-马斯达尔研究所的电气工程和计算机科学副教授Ammar Nayfeh以及麻省理工学院的Eugene Fitzgerald，默顿C。 Flemings-SMA材料科学与工程教授-计划成立一家初创公司，以将有前途的太阳能电池商业化。

菲茨杰拉德（Fitzgerald）已经创立了多家创业公司，包括AmberWave Systems Corporation，Paradigm Research LLC和4Power LLC，他认为步进电池可能会在未来一两年内为光伏市场做好准备。

该小组于6月在俄勒冈州波特兰举行的第43届IEEE光伏专家会议上展示了其最初的概念验证步骤电池。研究人员还在第40届和第42届年度会议以及《应用物理杂志》和《 IEEE光伏杂志》上报告了他们的发现。

超越硅

十多年来，一直被吹捧为行业金标准的传统硅晶体太阳能电池制造起来相对便宜，但在将太阳光转化为电能方面效率不高。平均而言，由硅基太阳能电池制成的太阳能电池板可将15％至20％的太阳能转化为可用的电能。

硅对太阳光能的电能效率低，部分原因是由于其带隙这一特性，该特性阻止了半导体将高能光子（例如蓝，绿和黄光波发射的光子）有效地转换为电能。取而代之的是，只有能量较低的光子（例如由较长的红色光波发出的光子）才能有效地转换为电能。

为了利用更多太阳的高能光子，科学家们探索了不同的半导体材料，例如砷化镓和磷化镓。虽然这些半导体的效率比硅高，但通过在彼此之上层叠不同的半导体材料并对其进行微调，可以制造出效率最高的太阳能电池，从而使每个半导体都可以吸收电磁波谱的不同部分。

这些分层的太阳能电池理论上可以达到50％以上的效率，但是其极高的制造成本使它们只能用于利基应用，例如卫星应用，在这些应用中，高成本比重量轻，效率低的重要性要小。

相比之下，Masdar Institute-MIT步进电池的制造成本仅为成本的一小部分，因为关键组件制造在可以重复使用的基板上。该设备因此可以帮助促进工业水平上的高效多结太阳能电池的商业应用。

成功步骤

通过在低成本的硅太阳能电池上层叠由砷化镓磷化物基的太阳能电池制成的阶跃电池，该太阳能电池由吸收并有效转换高能光子的半导体材料组成。

硅层被暴露出来，看起来像一个底部台阶。这种故意的步骤设计允许顶部的砷化镓磷化物（GaAsP）层吸收高能光子（来自蓝色，绿色和黄色光），而使底部硅层自由地吸收较低能量的光子（来自红色的光）不仅可以透过顶层，而且还可以透过整个可见光谱。

“我们意识到，当顶部的砷化镓磷化物层完全覆盖底部的硅层时，较低能量的光子就会被锗化硅（生长了砷化镓的磷化物的衬底）吸收，因此太阳能电池的能量要低得多。 Masdar学院的博士生Sabina Abdul Hadi解释说，他的博士学位论文为步进电池提供了基础研究。“通过蚀刻掉顶层并露出一些硅层，我们能够大大提高效率。”

阿卜杜勒·哈迪（Abdul Hadi）在纳菲（Nayfeh）的监督下，根据实验结果进行了仿真，以确定硅上GaAsP层的最佳水平和几何构型，以产生最高的效率。她的发现导致了该团队最初的概念验证太阳能电池。阿卜杜勒·哈迪（Abdul Hadi）将在马斯达尔研究所（Masdar Institute）担任博士后研究员，继续支持步进电池的技术发展。

在MIT方面，该团队开发了GaAsP，他们通过在由硅锗（SiGe）制成的基板上生长半导体合金来实现这一点。

砷化镓磷化物不能直接在硅上生长，因为其晶格与硅的晶格差异很大，因此硅晶体会降解。这就是为什么我们在硅锗上生长磷化砷化镓的原因-它提供了更稳定的碱。 Nayfeh解释说。

GaAsP层下面的硅锗的问题在于，SiGe在到达底部硅层之前会吸收低能光波，而SiGe不会将这些低能光波转换为电流。

“为了解决硅锗带来的光学问题，我们开发了阶跃电池的想法，它使我们能够利用磷酸砷化镓和硅的不同能量吸收带，” Nayfeh说。

阶梯电池概念导致了一种改进的电池，其中删除了SiGe模板并重新使用，从而创建了一个太阳能电池，其中GaAsP电池砖直接位于硅电池的顶部。由于GaAsP单元块可以在传输过程中被切除，因此分步单元可以重复使用SiGe。Fitzgerald在解释未来的低成本制造工艺时说：“我们在硅锗的顶部生长了砷化镓磷化物，以优化的几何构图对其进行了图案化，然后将其结合到硅电池上。然后，我们通过图案化的通道进行蚀刻，并从硅上剥离出硅锗合金。剩下的就是高效的串联太阳能电池和硅锗模板，随时可以重复使用。”

由于串联电池是粘合在一起的，而不是作为整体太阳能电池（所有层都生长在单个基板上）形成的，因此可以将SiGe去除并重复使用，从而显着降低了制造成本。

“添加一层砷化镓磷可以真正提高太阳能电池的效率，但是由于蚀刻硅锗并具有重复利用的独特能力，因此可以保持较低的成本，因为您可以在整个过程中分摊硅锗的成本制造许多电池的过程。” Fitzgerald补充说。

填补市场空白

Fitzgerald认为，步进电池非常适合太阳能光伏市场在超高效率和低效率工业应用之间的现有缺口。随着市场差距的扩大，制造成本应随着时间的流逝进一步降低。

该项目开始于马斯达尔研究所-麻省理工学院旗舰研究计划的九个项目之一，这是涉及两所大学的教职员工和学生的高潜力项目。麻省理工学院和马斯达尔学院合作计划于2007年帮助启动了马斯达尔学院。两家研究所之间的研究合作解决了全球能源和可持续性问题，并寻求发展阿布扎比的研发能力。

“这项研究项目突出了研究和国际合作在开发与商业相关的基于技术的创新中所发挥的宝贵作用，并且完美地展示了研究思想如何能够转变为企业家现实，” Nayfeh说。

刊物：

Sabina Abdul Hadi等人，“使用详细平衡法的两端多结“阶梯状电池”的理论效率极限，J。Appl。物理119，073104（2016）; doi：10.1063 / 1.4942223Sabina Abdul Hadi等人，“针对x = 0、0.17、0.29和0.37的GaAs1xPx / Si串−联电池的单层抗反射涂层的设计优化，” IEEE光伏杂志，卷：5，问题：2015年1月1日； DOI：10.1109 / JPHOTOV.2014.2363559