六结III-V太阳能电池：功率转化效率接近50%

据美国“清洁技术新闻和评论网站”报道，美国国家可再生能源实验室（NREL）日前研制出迄今为止世界上最高效的六结III-V型太阳能电池，最高功率转换效率达到惊人的47．1%，超过了33%的理论极限值，非常接近50%的范围。该项研究成果论文通讯作者、研究团队成员、NREL高效晶体光电池小组的首席科学家约翰·盖斯表示：“太阳能电池在提高转换效率的道路上不断向前迈进，正确的材料组合可提高太阳能转换为电能的能力，六结III-V太阳能电池展示了多结太阳能电池的巨大潜力”。

NREL最新研制出的III-V型六结结构的太阳能电池，每个结点都经过专门设计，由六种不同类型的光敏层组成，可以捕获来自太阳光谱中特定部分的光。通过现代工程和纳米技术，该装置总共包含约140层不同III-V材料层，以支持这些连接点的性能，但其宽度却仅仅是人们头发丝的三分之一。

为了检测六结III-V型太阳能电池的性能，NREL研究团队在聚集的光线下进行了测试，其强度是自然太阳光强度的143倍。结果表明，功率转换效率达到了创纪录的47．1%。尽管测试是在聚集的光线下进行的，实际使用中转换效率可能有所下降，但研究团队表示，可采用反射镜构建的设备将太阳光聚焦到电池上。与此同时，研究人员还在正常的太阳光照下进行了测试，转换效率仍达39．2%。“将太阳能电池效率的潜力超过50%在实际上是非常可能实现的”，研究团队成员、NREL高效率晶体光伏组的首席科学家莱恩·弗兰斯指出，但“由于热力学的基本限制，物体总在与外界交换能量，所以转换效率无法达到100%”。

吸收光谱中特定频率的电磁波能量

研究证实，硅是太阳能电池效率的黄金标准，单结硅太阳能电池目前最高转换效率为33%，然而采用更换材料和增加更多结点等一系列工程技术可以突破33%限制。某些三结太阳能电池在阳光集中的情况下功率转换效率可超过45%。作为一种高效率的太阳能电池，多结太阳能电池有多个采用分子束外延或有机金属化学气相沉积法生成的薄膜，这些薄膜所构成的半导体有不同的特征能隙，而这些能隙可以吸收光谱中特定频率的电磁波能量。

III-V族化合物是元素周期表中III族的B、Al、Ga、In和V族的N、P、As、Sb形成的化合物，主要包括砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）和氮化镓等，具有广泛的光吸收特性。III-V太阳能电池本身是薄膜形式的，通常只有几微米厚，还可从基板上移除，制成可弯曲的轻便柔性太阳能电池，该特性在航空航天应用中极具价值，因为电池的重量直接关系到总系统的重量，也就是成本。另外，能将电池贴合到非平面上也是至关重要的。除具有优异的光学和电子特性之外，III-V还可在多结结构中生长，从而减少热损失并提高效率。与晶体硅（c-Si）太阳能电池相比，III-V太阳能电池由于其优异的耐辐射性和在极端温度等恶劣环境下的良好性能，可在空间应用中使用数十年。III-V太阳能电池的低温度系数和良好的低光性能，可实现不同位置条件下比c-Si更高的能量产率。

用于聚光太阳能发电（CSP）技术

NREL对III-V太阳能电池进行了多年的持续研究，六结III-V太阳能电池的研制工作还得到了美国能源部太阳能技术办公室的资助。NREL 2019年曾与韩国高级科学技术研究院的科学家合作开发了一种利用可重复使用的锗衬底生产砷化镓（GaAs）太阳能电池的方法。GaAs属于III-V族化合物半导体材料，其能隙与太阳光谱较匹配，且耐高温。与c-Si太阳能电池相比，GaAs太阳能电池具有较好的性能。

NREL在2018年曾与总部位于芝加哥的微链设备公司(MicroLink Devices)合作生产了三结外延剥离技术(ELO)太阳能电池薄板，能产生37．75%的功率转换效率，顺利通过了工业标准AM1．5G的测试。37．75%的功率转换效率是目前15．24 cm(6英寸)GaAs基生产平台三结ELO太阳能电池的最高报告纪录。ELO太阳能电池所设计的在1-sun AM0光谱下的单位功率超过了3 000 W/kg，是目前世界上最新纪录。

III-V太阳能电池组件价格超过150美元/W，是主流的c-Si晶硅和碲化镉（CdTe）太阳能电池价格的400倍，所以，进一步降低居高不下的生产成本是当下最紧迫的问题。这种太阳能电池的产量还比较小，目前只有一些无人驾驶飞行器、卫星等高尖端领域和军事应用上才能接受这个价格。“为了给六结III-V太阳能电池开辟新的市场，NREL正积极开展降低电池成本的研究”，盖斯提出，“其中的一种方法是减少所需的面积，可通过使用镜子捕获光线并将光线聚焦到一点来做到，这非常适合于聚光太阳能发电（CSP）技术”。

CSP使用光学装置汇聚太阳辐射能投射到集热管道，加热管内工质，借助工质传递热量，加热循环水产生推动汽轮机的蒸汽，由蒸汽机带动发电机发电。具体来说，就是使用一个类似于相对低价的汇聚光线的镜子，将光线汇聚在III-V太阳能电池上，便能大大降低该技术的使用成本。通过聚光能使用更少的半导体材料，与此同时，集中光线也会使电池的效率有所提高。弗兰斯认为，与传统的硅太阳能电池相比，达到相同的效果最终可能仅使用原有半导体材料数量级的1/100甚至1/1 000。

在奥巴马政府期间，美国能源部展示了CSP技术，但当时在市场上并不受欢迎。近年来随着美国能源部兴趣的持续增强，CSP技术发展迅速，重点是热能和能量存储，特别是太阳能中高温热利用领域。而NREL研发的六结III-V型太阳能电池可能为CSP行业提供了另一条追求太阳能中高温热利用的途径。作为高科技能源投资者，比尔·盖茨也涉足高温CSP领域。