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詭異太陽電池創下轉換效率新高

圖片來源:Jeda Villa Bali@Flickr,根據創用CC-By 2.0條款使用

美國科學家研發出吸收光與發射光效率一樣好的新型太陽電池,能將 28.6% 的太陽光轉換成電能,為目前單接面(single-junction)太陽電池中轉換效率最佳者,超越了 2010 年創下的最高紀錄 26.4%。

科學家早在 1961 年就知道,太陽電池能從陽光中獲取能量的比率上限約為 33.5%,然而至今尚無技術能得到接近此理論值的吸收率。最近,加州大學柏克萊分校 Eli Yablonovitch 及其學生 Owen Miller 藉由模仿發光二極體的發光行為,研發出轉換效率更佳的太陽電池,換言之,此新型太陽電池同時擁有高吸收率和輻射率,事實上它是藉由控制輻射來增加轉換效率。

柏克萊團隊發現能輻射更多光子的太陽電池不僅擁有較高的轉換效率,產生的電壓也較高。Yablonovitch 指出,此結果看似弔詭且違反直覺,他們是在試圖改善實驗得到的轉換效率與理論值差異時,發現上述關連,關鍵就在光的吸收與輻射之間的數學關係,牽涉到所謂的「光子管理」(photon management)。

傳統的光子管理是控制入射太陽電池的光子使其儘可能製造出最多電子,進而產生最大電流。但 Yablonovitch 提出另一種觀點─不僅控制入射光子,也控制出射光子,讓在電池中『迷路』的光子順利出射。在一般太陽電池中,來太陽光子照到半導體,激發出自由電子,但此過程也可能產生新的光子,稱為「發光輻射」(luminescent emission)。由於吸收和輻射之間有基本的熱力學關聯,設計出會發光的太陽電池連帶會使電池產生的電壓增加。

此新穎概念已經被 Yablonovitch 與加州理工學院物理學家 Harry Atwater 於 2007 共同創立的公司 Alta Devices 付諸實現,其太陽電池原型是以砷化鎵製成,能量轉換效率約為 28.6%。Yablonovitch 指出,太陽電池基板的品質通常要求不高,致使基板成為輻射光子的流失管道;Alta Devices 將基板和電池分開,不只提高了轉換效率,基板還能回收使用,降低生產成本。這種新開發的太陽電池厚度和傳統一樣只有 1μm,雖然使用的材料是砷化鎵但造價卻便宜多了,目前已經在量產中。

Yablonovitch 預期研究人員在未來幾年內能將轉換效率逼近 30%。由於此研究成果適用所有的太陽電池,可能會對該領域造成全面影響。詳見近期的 Journal of Photovoltaics。

譯者:姚淳颺(逢甲大學光電學系)
責任編輯:蔡雅芝
原文網址:Quirky solar cell sets new efficiency record—physicsworld.com [2012-04-26]

本文來自 NanoScience 奈米科學網 [2012-05-28]

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