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看光:研究人员试图利用新材料和纳米线改善太阳能电池技术

罗切斯特理工大学的研究人员正在推广使用纳米线的太阳能电池技术,以捕获更多的太阳能并将其转化为可用电力。与超薄刀片相比,添加到当今常规材料中的纳米线能够捕获更多的光,并且可以成为将太阳能应用于更广泛的消费市场的成本效益的解决方案。

当今全球面临的挑战之一就是满足能源需求,人类正在寻求太阳能等替代能源的解决方案。太阳能电池使用纳米线在近10年已成为活跃领域。到目前为止,很少有研究人员已经最终证明如何利用硅和纳米线阵列之外的不同材料来获得更多的太阳能。RIT的研究团队正在探索一个非常规的过程,以提高太阳能转换效率,将阳光转化为有用的电能。RIT的凯特格里森工程学院的微系统工程助理教授Parsian Mohseni表示,他们的工作重点是最大限度地利用基于III-V化合物的串联结太阳能电池(周期表上的金属和非金属元素)来补充太阳能光谱。

“III-V串联设备是世界上最好的设备,但由于制造和初始材料的生产成本非常高。因此,它们不用于消费市场。它们将用于诸如空间技术等高精尖应用上。在现今的人造屋顶的大型太阳能电池板上是看不到III-V装置的,因为它实在太贵了。”Mohseni说道,他在开发使用III-V材料的太阳能电池方面很有经验,并研究了这些材料吸收更广泛的太阳光谱总量的范围。他因为了一个早期概念资助探索性研究(EAGER)最近获得了国家科学基金会为“两种异种材料(TDM)太阳能电池:硅双晶交联太阳能电池上的双面III-V纳米线阵列“项目的近30万美元的支持。EAGER旨在支持高风险但潜在的高回报变革技术。 Mohseni研究将III-V化合物与硅扩展技术结合起来,用于从太阳收集光学和电子设备的能量——也可以为下一代集成光子学和高速晶体管开辟新的道路。这些技术只是RIT的 未来光子计划Future Photon Initiative两个重要的研究和发展战略。

串联结太阳能电池是多个子电池的分组,每个子电池可以吸收更广泛的太阳光谱带的特定范围。Mohseni的团队已经能够使用选择性区域外延技术,使用位于半导体制造和制造实验室中的金属有机化学气相沉积系统(也称为MOVCD),为太阳能电池生长各种不同的III-V化合物高科技洁净室和RIT工程学院的教学设施。在2015年RIT安装的MOVCD由由Mohseni的项目联合主要调查员,NPRL主管Seth Hubbard领导的NanoPower 研究实验室(NPRL)运营。MOVCD是生产晶体III-V半导体的重要设备。这些III-V化合物是指正在引入到高容量半导体开发中的一组元素周期表。所生产的晶体具有类似于或高于硅的导电性能,这是现在是微电子学的主要组成部分,RIT研究解决结构,制造和成本挑战有望推动技术进步。

“在串联太阳能电池的背后有很多科学和工程,并且有一些真正的挑战。” 他解释说,“从技术的角度来说,我们如何在单一的单一结构中成长这是非常棘手的。我在课堂上使用的类比是试图将乐高块叠在一起。“

单个的乐高块在顶部的突出的圆柱形旋钮和两个部件在一起的块的底部上的开口之间具有不同的分离。乐高可以互锁精确,因为所有的块具有相同的直径和气缸和开口之间的相等分离。

“问题在于自然并没有削弱我们的这个突破,”Mohseni在提到正在开发的新的III-V材料,以及寻求将其与Lego块完美结合的挑战时说。
他的团队正在开发晶体生长方面的工程流程,使这些不同的材料合在一起,以减少缺陷和差距。通过完全改变架构,并且使用纳米线代替薄膜,该过程可以减轻沿常规异质外延体材料和薄膜形成的缺陷,并且可以节省用于制造器件的近90%的材料。 Mohseni及其研究团队将利用直径约为100纳米的垂直纳米线结构,长度可达几微米,替代当前用于半导体开发的薄膜。

“如果你试图吸收薄膜中的材料,你希望薄膜足够厚以吸收更多的光。如果光不被吸收,它可以反弹或反射出薄膜表面,“Mohseni解释说,“使用纳米线,如果光线进入,它仍然可以被吸收,但如果它从阵列中的一根电线反弹,而不是进入无限远,它可以被附近的电线捕获并被再吸收。这种多重散射相互作用的作用增加了纳米线阵列的光俘获能力。尽管我们使用的材料减少了90%,但可以比薄膜结构更好地吸收光。”

该项目将在两年内进行,旨在将III-V太阳能电池的范围从高精尖市场扩展开,最终将该技术纳入家庭,电网或运输系统。

“这是给人们带来权力——采取真正的能源和电力转换技术,把它放在人民手中。这是大局,也是长远目标。这是朝着前方迈出的一步。“Mohseni说。