39.5%！NREL三结太阳电池效率创新记录
近日，美国能源部国家可再生能源实验室（NREL）的研究人员研制出一种太阳电池。在单太阳光照标准测量条件下，电池效率达到创纪录的39.5%，取得了各种类型太阳电池中的最高效率。
NREL高效晶体光伏小组资深科学家、该项目主研究员Myles Steiner表示："新电池的效率更高，设计更简单，可用于各种新应用中，例如面积高度受限的应用或低辐射空间的应用。”
与他共事的还有NREL的Ryan France, John Geisz, Tao Song, Waldo Olavarria, Michelle Young和Alan Kibbler。
名为《厚量子阱超晶格实现三结太阳电池39.5%的地面效率和34.2%的空间效率》的文章概述了这一进展的详情，该论文发表在《焦耳》杂志五月刊上。
NREL科学家曾在2020年创下了一项记录，即令使用III-V材料的六结太阳能电池的效率达到39.2%。
近期几款最佳太阳电池都采用了NREL发明的倒置形变多结(IMM)结构。这种新的增强型三结IMM 太阳电池已被添加到最佳研究-电池效率表中。图表展示了太阳能实验电池取得的成功，包括了日本夏普公司在2013年创造的、37.9%的三结IMM记录。
在对 "量子阱"太阳电池进行研究后，科学家们实现了效率的提升。这种电池利用许多极薄层来改变太阳电池性能。科学家们开发出一种量子阱太阳电池并将其用于具有不同带隙的三个结的装置中。其中每个结都可以捕获和利用不同的太阳光谱。这种电池的性能是前所未有的。
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III-V材料因其在元素周期表上的位置而得名。由于跨越了广泛的能量带隙，它们能够瞄准太阳光谱的不同部分。顶部结由磷化镓(GaInP)制成，中间是带有量子阱的砷化镓(GaAs)，底部是晶格不匹配的砷化镓(GaInAs)。经过几十年的研究，每种材料都进行了高度优化。
资深科学家兼电池设计师France表示："砷化镓是一种优秀的材料，通常用于III-V多结电池，但关键之处在于，对三结电池来说，这种材料没有完全正确的带隙，这意味着三个电池之间的光电流平衡并不理想。在这里，我们通过使用量子阱修改了带隙，同时保持了良好的材料质量，这使这一装置和其他潜在应用成为可能。"
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科学家们在中间层使用了量子阱来扩展砷化镓电池带隙，增加电池可以吸收的光量。重要的是，他们开发的光学厚量子阱设备不会出现重大电压损失。科学家们还在生长过程中对GaInP顶层电池进行退火处理以提升其性能，学习如何将晶格错位的GaInAs的线状位错密度降到最低，这些将在其它出版物中讨论。总的来说，这三种材料为新型电池设计提供了参考。
III-V电池以高效率而闻名，但其制造工艺历来都很昂贵。到目前为止，III-V电池已被用于为太空卫星、无人驾驶飞行器和其他小众应用供电。NREL的研究人员一直致力于大幅降低III-V电池的制造成本并提供替代电池设计，使这些电池可以经济的用在各种新应用中。
研究人员还测试了新的III-V族电池在空间应用中的效率，尤其是通信卫星。这些卫星由太阳电池供电，因此，高电池效率至关重要。在寿命开始时，电池的测量结果为34.2%。目前的电池设计适用于低辐射环境，而更高辐射的应用可以通过进一步开发电池结构来实现。
NREL是美国能源部负责可再生能源和能效研发的主要国家实验室，由Sustainable Energy LLC公司负责运作。
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