作者:冯维维 来源:中国科学报 发布时间:2023/6/11 21:35:26
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新设计让二维太阳能电池效率提高1倍用于太空

 

在为太空探索和定居提供能源时,通常可用的由硅或砷化镓制成的太阳能电池仍然太重,无法用火箭运输。

为应对这一挑战,人们正在探索各种轻质替代品,包括由硒化钼薄层制成的太阳能电池,它属于更广泛的二维过渡金属双硫分子配合物(2D TMDC)太阳能电池。

现在,美国科学家提出了一种装置设计,可将2D TMDC的效率从已经证明的5%提高到12%。相关研究近日发表于细胞出版社旗下应用物理科学期刊Device创刊号。

“人们正在慢慢意识到2D TMDCs是优秀的光伏材料,尽管不在地面应用方面,而是更灵活的移动应用,比如空间应用。”论文第一作者、宾夕法尼亚大学设备顾问委员会成员Deep Jariwala说,2D TMDC太阳能电池的重量是硅或砷化镓太阳能电池的1/100,这使得它们成为一项非常有吸引力的技术。

虽然2D TMDC太阳能电池不如硅太阳能电池效率高,但其单位重量能够产生更多的电力,这是一种被称为“比功率”的特性。这是因为一层只有3-5纳米厚——或者说不到人类头发直径的1/1000——的这种电池吸收的阳光量相当于商业可用的太阳能电池。它们极薄的厚度为其赢得了“二维”的标签——它们被认为是“平面”的,因为它们只有几个原子的厚度。

“高比功率实际上是任何基于空间的光收集或能 量收集技术的最大目标之一。”Jariwala说,“这不仅对卫星或空间站很重要,而且如果你想在太空中使用真正公用事业规模的太阳能,这同样也很重要。”

“你必须运送的太阳能电池数量是如此之大,目前没有太空飞行器可以运用经济可行的方式将这些材料带到那里。所以,真正的解决方案是加倍使用重量更轻的电池,这样可以提供更多的特定功率。”

2D TMDC太阳能电池的全部潜力尚未完全实现,因此Jariwala和他的团队试图进一步提高电池的效率。通常,这种类型的太阳能电池的性能是通过一系列测试设备的制造来优化的,但Jariwala的团队认为,通过计算建模来实现这一点同样很重要。

此外,该团队认为,要真正推动效率的极限,必须适当考虑到设备的一个定义——特征:激子,这也是建模的挑战。

激子是在太阳能电池吸收太阳光时产生的,它的主要存在是2D TMDC太阳能电池具有如此高的太阳能吸收率的原因。当激子带正电荷和带负电荷的成分被输送到分开的电极时,太阳能电池就会产生电能。

以这种方式对太阳能电池建模,该团队能够开发出一种效率是实验证明的两倍的设计。

“这个装置的独特之处在于它的超晶格结构,这本质上意味着2D TMDC的交替层被间隔层或非半导体层隔开。”Jariwala说,“间隔层可以让你在电池结构内多次反射光线,即使电池结构非常薄。”

“我们没有预料到如此薄的电池会达到12%的值。鉴于目前的效率还不到5%,我希望在未来4到5年内,人们能够真正展示效率达到10%甚至更高的电池。”

Jariwala说,下一步是考虑如何为拟议的设计实现大规模、晶圆级别的生产。“现在,通过将单个材料一层一层地转移到另一层上,我们正在组装这些超晶格,就像纸张一样。就好像你把它们从一本书上撕下来,然后像一叠便利贴一样把它们粘在一起。”Jariwala说,“我们需要一种直接让这些材料一层一层地生长的方法。”

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轻型二维过渡金属双硫分子配合物太阳能电池设计概念图。图片来自Jariwala

相关论文信息:

http://doi.org/10.1016/j.device.2023.100003

 
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