砷化镓太阳能电池有望打破能效记录

美国科学家通过与传统科学研究相反的新思路，用砷化镓制造出了最高转化效率达28.4%的薄膜太阳能电池。该太阳能电池效率提升的关键并非是让其吸收更多光子而是让其释放出更多光子，未来用砷化镓制造的太阳能电池有望突破能效转化记录的极限。

过去，科学家们都强调通过增加太阳能吸收光子的数量来提升太阳能电池的效率。太阳能电池吸收阳光后产生的电子必须被作为电提取出来，而那些没有被足够快速提取出的电子会衰变并释放出自己的能量。

美国能源部下属的劳伦斯伯克利国家实验室科学家伊莱·亚布鲁诺维契领导的研究表明，如果这些释放的能量作为外部荧光排放出来，太阳能电池的输出电压就会提高。亚布鲁诺维契说：“我们的研究表明，太阳能电池释放光子的效率越高，其能源转化效率和提供的电压就越高。外部荧光是太阳能电池转化效率达到理论最大值肖克莱·奎塞尔效率极限的关键。对于单p-n结太阳能电池来说，这个最大值约为33.5%。”

参与研究人员欧文·米勒解释道，在太阳能电池的开路环境中，电子无处可去，就会密密挤在一起，理想的情况是，它们排放出外部荧光，精确地平衡入射的太阳光。

基于此，由亚布鲁诺维契联合创办的阿尔塔设备公司使用亚布鲁诺维契早期研发的单晶薄膜技术外延层剥离技术，用砷化镓制造出了最高转化效率达28.4%的薄膜太阳能电池。这种电池不仅打破了此前的转化效率，其成本也低于其他太阳能电池。目前效率最高的商用太阳能电池由单晶硅圆制造，最高转化效率为23%。砷化镓虽然比硅贵，但其收集光子的效率更高。就性价比而言，砷化镓是制造太阳能电池的理想材料。

亚布鲁诺维契说：“太阳能电池的高性能与外部荧光有关，我们的理论将显著改变未来太阳能电池的面貌，我们将生活在一个太阳能电池非常便宜而且高效的世界中。”

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在美国能源部（DOE）劳伦斯伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory），科学家的理论研究，带来了破纪录的太阳能电池光电转换效率。研究人员发现，与传统的科学常识相反，提高太阳能电池效率的关键，不是吸收更多的光子，而是散发出更多的光子。

“优异的太阳能电池也应是一个优异的发光二极管，”艾利•雅布龙诺维奇（Eli Yablonovitch）说，他是伯克利实验室的电气工程师，领导这项研究。“这是违反直觉的。为什么太阳能电池应该发出光子？我们展示的是，太阳能电池能更好地散发出光子，就可以产生更高的电压和更高的效率。”

他们的一篇论文，介绍了这项工作，发表在《光伏杂志》（Journal of PhotoVoltaics），题为《高密度内外荧光的太阳能电池达到肖克利-奎伊瑟效率极限》（Intense Internal and External Fluorescence as Solar Cells Approach the Shockley-Queisser Efficiency Limit）。

论文中，雅布龙诺维奇描述，外部荧光是一个关键，可以达到理论上的最高效率，使太阳能电池把阳光转换成电能。这一理论效率，就是所谓的肖克利•奎伊瑟效率极限（SQ极限），测量约为33.5％，就是单个p-n结太阳能电池。这意味着，如果太阳能电池每平方米太阳能可收集1000瓦，那么，它能产生的最大电力为每平方米335瓦左右。

欧文•米勒（Owen Miller）是雅布龙诺维奇研究小组的成员，他的计算表明，半导体砷化镓能够达到肖克利•奎伊瑟效率极限。依靠这项工作，雅布龙诺维奇共同创办的一家私营公司，就是阿尔塔设备公司（Alta Devices Inc.），已可制造砷化镓太阳能电池，达到创纪录的转换效率，就是28.4％。



砷化镓制成的薄膜太阳能电池，达到创纪录的光电转换效率，就是28.4％。来源：阿尔塔设备公司。

“欧文•米勒提供了精确的理论，可以达到肖克利•奎伊瑟极限，首次包括了外部荧光效率。” 雅布龙诺维奇说：“他计算的砷化镓（Gallium arsenide）表明，外部荧光带来了电压升压，阿尔塔公司研究人员随后就观察到了。”

今天，最高效的商用太阳能电池是用单晶硅片制成，通常可达到约23％的转换效率。高挡硅是一种昂贵的半导体，但是只能低强度收集光子。砷化镓虽然比硅更昂贵，但是更擅于吸收光子，这意味着，只需要少得多的材料，就可以制成太阳能电池。

“砷化镓吸收光子比硅强1万倍，这是指一定的厚度，但并没有贵1万倍，”雅布龙诺维奇说，“从性能看，这是一种理想材料，可以制造太阳能电池。”

过去的工作中，提升太阳能电池的转换效率，重点是增加电池吸收的光子数量。太阳能电池吸收阳光产生电子，这些电子必须被引导出电池，形成电。有些电子导出速度不够快，就会衰变，释放自身的能量。如果那种能量释放为热量，就会降低太阳能电池的输出功率。米勒的计算表明，如果这释放出的能量离开电池，形成外部荧光，就会提升电池的输出电压。

“这就是核心的反直觉成果，带来了效率纪录的突破，”雅布龙诺维奇说。

米勒解释说，“在开放电路条件的太阳能电池中，电子有没有地方可去，这样，它们堆积成高密度，而且，在理想情况下，会发出外部荧光，完全平衡入射的阳光。因为标示出内部光学损耗低，这种高效的外部荧光就很必要，可以达到肖克利•奎伊瑟极限。”

使用单晶薄膜技术，就是雅布龙诺维奇早期开发的所谓“外延层剥离”（epitaxial liftoff），阿尔塔设备公司可用砷化镓制造太阳能电池，不仅刷新了以前的太阳能转换效率纪录，而且生产成本远低于任何其他太阳能电池技术。阿尔塔设备公司预计，在一年内把砷化镓太阳能电池板推向市场。

“这种肖克利•奎伊瑟极限仍然是太阳能电池技术的基础，”雅布龙诺维奇说，“不过，光萃取和外部荧光物理学很明显关联到高性能太阳能电池。”

砷化镓一般就是来做这个电池的吗。有的要求在那个片子上面加工小孔，这是用来做什么的