創(chuàng)新設(shè)計(jì)使太空輕型太陽(yáng)能電池的效率翻倍|世界觀天下

藝術(shù)家對(duì)月球基地活動(dòng)的印象。賓夕法尼亞大學(xué)的研究人員提出了一種改進(jìn)的二維過(guò)渡金屬二硫化物 (2D TMDC) 太陽(yáng)能電池設(shè)計(jì)，由于其輕質(zhì)特性，這是一種很有前途的解決方案，可為太空探索和定居點(diǎn)提供能源。圖片來(lái)源：ESA – P. Carril

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賓夕法尼亞大學(xué)的研究人員提出了一種輕型二維過(guò)渡金屬二硫族化物 (2D TMDC) 太陽(yáng)能電池的新設(shè)計(jì)，其效率有可能從 5% 提高到 12%。這些電池由于其高比功率而非常適合空間應(yīng)用，通過(guò)超晶格結(jié)構(gòu)得到增強(qiáng)，從而增加太陽(yáng)能吸收。下一步是開發(fā)一種大規(guī)模生產(chǎn)的方法。

在為太空探索和定居點(diǎn)提供能源時(shí)，常用的由硅或砷化鎵制成的太陽(yáng)能電池仍然太重，無(wú)法通過(guò)火箭運(yùn)輸。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，正在探索各種輕型替代品，包括由硒化鉬薄層制成的太陽(yáng)能電池，屬于二維過(guò)渡金屬二硫化物 (2D TMDC) 太陽(yáng)能電池的更廣泛類別。6 月 6 日發(fā)表在Device雜志創(chuàng)刊號(hào)上的 研究人員提出了一種設(shè)備設(shè)計(jì)，可以將 2D TMDC 設(shè)備的效率從 5% 提高到 12%，正如已經(jīng)證明的那樣。

“我認(rèn)為人們正在慢慢意識(shí)到 2D TMDC 是出色的光伏材料，雖然不是用于地面應(yīng)用，而是用于移動(dòng)應(yīng)用——更靈活，如基于空間的應(yīng)用，”主要作者和 Device 顧問(wèn)委員會(huì)成員 Deep 說(shuō) 。賓夕法尼亞大學(xué)的賈里瓦拉?！岸S TMDC 太陽(yáng)能電池的重量比硅或砷化鎵太陽(yáng)能電池輕 100 倍，因此這些電池突然成為一種非常有吸引力的技術(shù)。”

雖然 2D TMDC 太陽(yáng)能電池的效率不如硅太陽(yáng)能電池，但它們單位重量產(chǎn)生的電量更多，這一特性被稱為“比功率”。這是因?yàn)楹穸葍H為 3 至 5 納米（或比人類頭發(fā)薄一千倍以上）的層吸收的陽(yáng)光量可與市售太陽(yáng)能電池相媲美。它們的極薄使它們獲得了“2D”的標(biāo)簽——它們被認(rèn)為是“扁平的”，因?yàn)樗鼈冎挥袔讉€(gè)原子厚。

二維激子太陽(yáng)能電池有多好？圖片來(lái)源：Device/Hu 等人。

“高比功率實(shí)際上是任何天基光采集或能量采集技術(shù)的最大目標(biāo)之一，”Jariwala 說(shuō)。“這不僅對(duì)衛(wèi)星或空間站很重要，而且如果你想在太空中使用真正的公用事業(yè)規(guī)模的太陽(yáng)能。”

“你必須運(yùn)送的太陽(yáng)能電池?cái)?shù)量如此之大，以至于目前沒(méi)有太空飛行器能夠以經(jīng)濟(jì)可行的方式將這些材料運(yùn)送到那里。所以，真正的解決方案是你加倍使用重量更輕的電池，這會(huì)給你帶來(lái)更多的能量?！?/p>

二維 TMDC 太陽(yáng)能電池的全部潛力尚未完全發(fā)揮，因此 Jariwala 和他的團(tuán)隊(duì)一直在尋求進(jìn)一步提高電池的效率。通常，這種類型的太陽(yáng)能電池的性能是通過(guò)制造一系列測(cè)試設(shè)備來(lái)優(yōu)化的，但 Jariwala 的團(tuán)隊(duì)認(rèn)為通過(guò)計(jì)算建模來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)很重要。

此外，該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，要真正突破效率極限，必須正確考慮設(shè)備的定義特征之一（并且對(duì)建模具有挑戰(zhàn)性）特征：激子。

當(dāng)太陽(yáng)能電池吸收陽(yáng)光時(shí)會(huì)產(chǎn)生激子，它們的主要存在是 2D TMDC 太陽(yáng)能電池具有如此高的太陽(yáng)能吸收的原因。當(dāng)激子的帶正電和帶負(fù)電的成分被匯集到單獨(dú)的電極時(shí)，太陽(yáng)能電池就會(huì)產(chǎn)生電能。

通過(guò)以這種方式對(duì)太陽(yáng)能電池進(jìn)行建模，該團(tuán)隊(duì)能夠設(shè)計(jì)出一種效率比已經(jīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明的高出一倍的設(shè)計(jì)。

“這個(gè)設(shè)備的獨(dú)特之處在于它的超晶格結(jié)構(gòu)，這基本上意味著二維 TMDC 的交替層被間隔層或非半導(dǎo)體層隔開，”Jariwala 說(shuō)。“將層隔開可以讓你在細(xì)胞結(jié)構(gòu)內(nèi)多次反射光，即使細(xì)胞結(jié)構(gòu)非常薄?！?/p>

“我們沒(méi)想到這么薄的電池會(huì)看到 12% 的值。鑒于目前的效率低于 5%，我希望在未來(lái) 4 到 5 年內(nèi)，人們可以實(shí)際展示效率為 10% 或更高的電池?！?/p>

Jariwala 表示，下一步是考慮如何為所提議的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的晶圓級(jí)生產(chǎn)?！艾F(xiàn)在，我們正在通過(guò)將單個(gè)材料一層一層地轉(zhuǎn)移來(lái)組裝這些超晶格，例如紙張。就好像你把它們從一本書上撕下來(lái)，然后像一疊便利貼一樣把它們粘在一起，”Jariwala 說(shuō)。“我們需要一種方法來(lái)直接在另一種材料之上生長(zhǎng)這些材料?！?/p>版權(quán)聲明：本文轉(zhuǎn)載僅僅是出于傳播信息的需要，并不意味著代表本網(wǎng)站觀點(diǎn)或證實(shí)其內(nèi)容的真實(shí)性；如其他媒體、網(wǎng)站或個(gè)人從本網(wǎng)站轉(zhuǎn)載使用，須保留本網(wǎng)站注明的“來(lái)源”，并自負(fù)版權(quán)等法律責(zé)任；作者如果不希望被轉(zhuǎn)載或者聯(lián)系轉(zhuǎn)載稿費(fèi)等事宜，請(qǐng)與我們接洽。

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