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實用的全光譜太陽能電池即將到來

本文轉載自PEREGRINE科學點滴

圖片取自原文網站

太陽能電池是由對光作出反應之能耐,取決於能帶隙(band gaps)的半導體所製造的。不同色彩的光具有不同的能量,因而沒有單一半導體具有能對全部陽光(從低能的紅外線、可見光到高能的紫外線)作出反應的能帶隙。

雖然全光譜的太陽能電池已被製造出,不過一直沒有能以令消費者滿意之價位製造的太陽能電池。目前,美國能源部所屬勞倫斯柏克萊國家實驗室材料科學部門太陽能材料研究團隊(the Solar Energy Materials Research Group in the Materials Sciences Division at the U.S. Department of Energy`s Lawrence Berkeley National Laboratory)領導人Wiadek Walukiewicz及其同僚們業已證實一種,不僅幾乎對整個太陽光譜作出反應,而且能使用半導體工業最常見的製造技術之一來迅速製造的太陽能電池。

這種可望製造出實用之高效能太陽能電池的設計成果,發表於2011年1月14日版《物理評論記事》(Physical Review Letters)期刊。

Walukiewicz宣稱:「由於沒有任何材料對所有波長是敏感的,因而成功之全光譜太陽能電池的基本原理,是結合具有不同能隙(energy gaps)的不同半導體。」

使不同能帶隙結合成一體的一種方法是堆疊多層不同的半導體,並以金屬線將其串聯在一起。這是當前使用具不同能隙之三種半導體的高效能合金太陽能電池技術的原理。於2002年,Walukiewicz及柏克萊國家實驗室材料科學部門的Kin Man Yuz發現,藉由調整於氮化銦鎵(indium gallium nitride)之相同合金中銦及鎵的數量,結果每種不同的混合,實質上會成為對不同波長作出反應的不同種半導體。藉由堆疊若干全接近相稱卻具不同銦含量的結晶體層,他們製造了對全太陽光譜敏感的光伏特裝置(photovoltaic device)。

不過,Walukiewicz宣稱:「即使此些不同的結晶體層十分相稱時,此些結構仍是複雜的,不過卻是製造它們的方法。製造全光譜的另一種方法是製作具有多能帶隙的單一合金。」

於2004年,Walukiewicz及Yu製造了一種以鋅及碲(tellurium)合金為基礎之高度不相稱半導體的合金。藉由以氧來攙雜合金,在現有的兩個能帶間,他們添加了第三個不同的能帶,從而創造出橫跨了太陽光譜的三個不同能帶隙。Walukiewicz宣稱:「遺憾的是,製造該種合金是複雜且費時的,因而大量生產此類太陽能電池也是不經濟的。」

來自Walukiewicz、Yu及其柏克萊國家實驗室材料科學部門及與亞利桑那州鳳皇城住華電子材料公司(Sumika Electronics Materials in Phoenix, Arizona)合作之RoseStreet能源實驗室(RoseStreet Labs Energy)同僚們的新太陽能電池材料,是從高度不相稱之合金所製造的另一種多能帶半導體。在此情況下,該種合金是組成上類似最常見的砷化鎵(gallium arsenide)半導體之一的氮化砷化鎵(gallium arsenide nitride)。藉由以氮來取代一些砷原子,能創造出第三個居間的能帶。好消息是該種合金能以有機金屬化學氣相沉積法(metalorganic chemical vapor deposition:MOCVD)來製造,該沉積法是製造化合物半導體(compound semiconductors)最常見的方法之一。

由於半導體在絕對零度的溫度下是絕緣體,因而產生能帶隙。不過,當溫度上升時,慢慢接近具傳導性。為了導電,一些通常被束縛於處在價帶(valence band)之原子中的電子,必需獲得足夠的能量來自由流動,也就是遷移到傳導帶。能帶隙就是上述所需的能量。

當電子遷移進入傳導帶時,於價帶中遺留下也具有電荷的電洞(hole)。就像傳導帶中的電子,電洞是帶正電而不是帶負電。

大的能帶隙意味高的能量,因而寬能帶隙的材料僅對太陽光譜較高能的部分(諸如紫外線光)作出反應。藉由在價帶及傳導帶間導入居間的第三能帶,該相同基礎的半導體也能對低、中能量的波長作出反應。這是因為,於多能帶半導體中,具有對價帶與居間帶間之低能量作出反應的窄能帶隙。而居間帶與傳導帶間是對居間能量作出反應之另一個相對窄的能帶隙。最後結果,原先寬的能帶隙依然能處理高的能量。

Kin Man Yu宣稱:「在創造全光譜太陽能電池上的主要問題,是找尋最適宜的材料。挑戰性在於,以適當的攙雜來平衡適當的組成物。」

在由某些高度不相稱之合金製成的太陽能電池中,能藉由以少量的氧或氮來取代一種成分的原子,而在能帶隙中創造出第三能帶的電子狀態。在結合來自門捷列夫(Mendeleyev)原週期表II及VI族元素,被稱為II-VI族半導體中,以氧來取代一些VI族原子,能產生藉由改變氧數量來控制寬度及位置的居間能帶。Walukiewicz及Yu原本的多能帶太陽能電池,是以氧原子來取代VI族碲原子的II-VI族化合物。他們當前的太陽能材料是種III-V族合金。第三能帶是以氮原子來取代一些V族砷原子所產生的。

找尋合金的適當組合,及決定適當攙雜含量來將居間能帶置於被需要的適當處所,多半是以十多年前由柏克萊國家實驗室所研發的能帶互斥模型(the band anticrossing model)理論為基礎。

Yu宣稱:「他們知曉應有2%的氮及居間能帶應在何處。不過,挑戰性在於設計實際的裝置。」

使用他們的新多能帶材料作為實驗電池(test cell),此些研究人員用全光譜的陽光加以照射,來測定不同色彩的光能產生多少的電流。令多能帶電池運作的關鍵是確保居間能帶與收集電流的接觸面是分離的。

Walukiewicz解釋:「居間能帶必需吸收光,不過僅起如同墊腳石的作用,因而必需是不容許傳導電荷的,否則會使該裝置短路。」

該實驗裝置於底層上具有負攙雜的半導體接觸面(用以收集來自傳導帶的電子),及表層上正攙雜的半導體接觸面(用以收集來自價帶的電洞)。而來自居間帶的電流被頂部及底部的額外層所阻擋。

為了比較目的,此些研究人員製作了一個幾乎完全相同,卻容許電流直接從居間能帶流到底層的電池。

該實驗結果證實,穿過經阻擋之裝置的光有效地從三個能帶產生電流,且對所有光譜作出強烈反應,從紅外線產生約1.1電子伏特的能量到紫外線超出3.2電子伏特。

相較下,未經阻擋的裝置僅於接近紅外線的部分作出充分的反應,而在光譜的可見光部分反應明顯地下降,因而喪失了最高能的陽光。由於未經阻擋,居間能帶實質上已取代傳導帶,而從價帶攔截低能的電子並直接穿梭運往接觸層。

該多能帶裝置的效能及其運作方式的進一步證據來自,當該裝置作為發光二極體的反向運作實驗。在低電壓下,該裝置於光譜的紅外線及可見光區發出四個波峰(peaks)。原本打算作為太陽能電池材料,不過作為發光二極體的上述性能顯示了氮化砷化鎵諸多可能的額外用途。

使用該以氮化砷化鎵為基礎的新型多能帶光伏特裝置,此研究團隊業已證實一種幾乎對整個太陽光譜作出反應,且能輕易使用半導體工業最常見的製造技術之一來製造的簡易太陽能電池。依此成果,可望實際製造出具高效能的太陽能電池。

原文網址:http://newscenter.lbl.gov/feature-stories/2011/01/24/practical-full-spectrum/

翻譯:peregrine

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