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2D太阳能电池有望创下单位重量功率记录

IEEE电气电子工程师 来源:IEEE电气电子工程师 2023-06-26 16:11 次阅读

尽管近年来取得了进步,但在必须将重量降至最低的情况下,太阳能电池仍有一些不足之处。2D半导体材料一直被认为是一种可能的解决方案,但它们在历史上一直受到低效率的阻碍。

研究人员表示,现在,通过优化材料和设计,用2D半导体材料制成的太阳能电池可以达到以前此类器件的两倍效率。他们提出的设计让今天的薄膜太阳能电池物超所值,拥有当今所有薄膜技术中最高的单位重量功率,几乎达到每克200瓦。

宾夕法尼亚大学的电气和系统工程师Deep Jariwala说,这种超轻、柔性的太阳能电池可以用于天基太阳能电池阵列、航天器、卫星、无人机、可穿戴电子设备,并“为任何有重量问题的东西供电”。

Jariwala和他的同事正在研究由称为过渡金属二硫族化合物(TMDs)的2D半导体制成的太阳能电池,其中包括硒化钨和二硫化钼等材料。十多年来,研究人员一直在研究TMDs作为薄膜电子和传感器的组件。在过去的五年里,人们对它们的光伏特性越来越感兴趣。虽然最初的几块TMD太阳能电池的效率低于1%,但Jariwala的团队去年报告称,其设备的效率超过了5%。

但是,尽管取得了实际进展,到目前为止,还没有人准确计算出TMD太阳能电池的最终理论效率极限。对效率极限进行理论预测的人没有考虑一个重要的参数:激子(exciton),它是电子和空穴的结合对,是原子结构中可能存在电子的带正电的点。

像硅这样的大块光伏材料吸收光,产生自由流动并发电的电子和空穴。但Jariwala解释说,在任何纳米级或低维材料中,产生的电荷都会以激子的形式结合在一起,“激子开始主导这些半导体的性质。如果你不考虑激子,你就不知道真正的理论极限。”

要用2D材料制造一个实用的太阳能电池,关键是要设计出一种能捕获光线并最大限度地吸收光线的设计。否则,大部分光线都会通过。因此,研究人员制作了一种特殊的光捕获晶格结构,看起来像一层蛋糕。该结构交替重复放置在反光金层上的二硫化钼和氧化铝层。这种结构吸收了超过90%的入射光。

通过优化材料厚度和其他器件参数,并考虑激子物理,研究人员计算出的最大效率几乎为13%。

与最先进的硅太阳能电池25%的效率相比,这个数字很小。但这些都是微米甚至毫米厚。Jariwala说:“这种太阳能电池中的2D半导体厚度为4纳米。因此,厚度和整体重量存在巨大差异。就比功率而言,这些确实可以给你带来创纪录的性能。这是关键优势。对于轻型或远程电源应用来说,这是一种很好的材料。”

考虑到其理论效率和纳米级厚度,研究人员计算出他们提出的器件的比功率接近200W/g。他们在6月6日发表在《设备》杂志上的一篇文章(https://www.cell.com/device/fulltext/S2666-9986(23)00003-0)中表示,这是商用碲化镉电池比功率的十倍之多。

有机太阳能电池是另一种很有前途的薄膜技术,具有150W/g的高比功率。但Jariwala说,与这些设备中使用的有机聚合物相比,TDM材料更稳定,不会随着时间的推移而降解。“所以它们是两全其美的。它们不仅具有有机太阳能电池的光学特性,同时还有无机太阳能电池的化学和物理特性。”

研究人员的下一步是制造一个真正的太阳能电池。他们必须找出电极和触点的最佳材料,如何将它们放在2D晶格结构上,然后有效地收集电荷。Jariwala说,然后,将太阳能电池扩大到更大的尺寸应该相对简单。

Jariwala说:“我们知道如何捕获光,并将其吸收在大面积的极薄结构中。现在剩下的是一个电子工程问题。希望在未来一年左右,我们能够对这种太阳能电池进行一些实验演示。这些都是薄膜材料。它们将经历与硅、砷化镓或任何其他无机半导体材料相同的纳米制造。从化学角度来看,它们与已经商业化的碲化镉非常相似。看不出你有什么理由不能把这些东西商业化。”

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原文标题:2D太阳能电池有望创下单位重量功率记录

文章出处:【微信号:IEEE_China,微信公众号:IEEE电气电子工程师】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

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