理论上，两层太阳能电池效率优于一层
太阳能电池已经取得了长足的进步，但廉价的薄膜太阳能电池在效率上仍远远落后于更昂贵的晶体太阳能电池。现在，一组研究人员建议使用两种不同材料的薄膜可能是制造效率约为 34% 的价格合理的薄膜电池的方法。
“十年前，我对太阳能电池知之甚少，但我很清楚它们非常重要，”宾夕法尼亚州立大学埃文普大学教授和查尔斯戈弗雷宾德工程科学与力学教授 Akhlesh Lakhtakia 说。
在对该领域进行调查时，他发现研究人员从两个方面接近太阳能电池，光学方面——研究如何收集太阳光——以及电气方面——研究收集的阳光如何转化为电能。光学研究人员努力优化光捕获，而电子研究人员努力优化向电力的转换，双方都简化了对方。
“我决定创建一个模型，在这个模型中，电气和光学方面都将得到平等对待，”Lakhtakia 说。“我们需要提高实际效率，因为如果电池的效率低于 30%，就不会产生任何影响。”研究人员在最近一期的《应用物理快报》上报告了他们的结果。
Lakhtakia 是一位理论家。他不是在实验室制造薄膜，而是创建数学模型来测试配置和材料的可能性，以便其他人可以测试结果。他说，问题在于优化光学和电气的数学结构非常不同。
他解释说，太阳能电池似乎是简单的设备。透明的顶层允许阳光照射在能量转换层上。被选择用来转换能量、吸收光并产生带负电的电子和带正电的空穴流向相反方向移动的材料。带不同电荷的粒子被转移到顶部接触层和底部接触层，将电流从电池中导出以供使用。电池可以产生的能量取决于收集到的阳光量和转换层的能力。不同的材料对不同波长的光起反应并进行转换。
“我意识到为了提高效率，我们必须吸收更多的光，”Lakhtakia 说。“要做到这一点，我们必须以一种特殊的方式使吸收层变得不均匀。”
这种特殊的方法是在两种不同的薄膜中使用两种不同的吸收材料。研究人员为这些层选择了市售的 CIGS——铜铟镓二硒化物——和 CZTSSe——铜锌锡硫硒化物。就其本身而言，CIGS 的效率约为 20%，而 CZTSSe 的效率约为 11%。
这两种材料在太阳能电池中起作用，因为这两种材料的结构是相同的。根据 Lakhtakia 的说法，它们具有大致相同的晶格结构，因此它们可以一个在另一个之上生长，并且它们吸收不同的频谱频率，因此它们应该可以提高效率。
“这太棒了，”拉赫塔基亚说。“他们一起生产了一种效率为 34% 的太阳能电池。这创造了一种新的太阳能电池架构——层层叠叠。其他真正可以制造太阳能电池的人可以找到其他层的配方，也许做得更好。”
据研究人员称，下一步是通过实验创建这些，看看有哪些选择可以得到最终的最佳答案。
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2021-06-15
