金属氧化物代替硅让太阳能成为廉价能源

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众所周知,传统的太阳能电池都是用漂亮但昂贵的硅晶体制成的,而最近,来自加利福尼亚大学和伯克利实验室的研究者们发现了一种可以用任何半导体材料制作太阳能电池的方法。这一研究成果很可能将打开廉价太阳能应用的大门。

  市面上几乎所有的太阳能电池板都是这样制作的:从一大块硅晶上切下两片薄片(每片厚度约为200微米,即0.2毫米),再在上面涂上一层涂层来增强光伏效应(含磷物质和溴分别被用来制造N型和P型硅片)。然后将这两片硅片叠压在一起,上下接上电极,再在这一整套装置外包上保护性玻璃——看,一块标准太阳能电池就做好了。

  从理论上讲,你其实可以在任何半导体材料上涂上涂层来制作太阳能电池。但不幸的是,那些更便宜且更易获得的材料(如氧化铜)无法很好的保持表面的涂层,并最终会导致PN结的解体;硅片可以很好的保持表面涂层,但却非常昂贵。

  为了解决这一问题,加利福尼亚的研究者们开发出了一种新型的太阳能电池,被称作"屏蔽加工场效应光伏电池(screening-engineered field-effect photovoltaics)",缩写为SFPV。与传统方法直接在材料上施敷涂层不同,这一新工艺使用微型电场来实现相同的效果。只要这个电场持续存在,PN结就可以一直保持,这块光伏电池也就会持续产生电能。维持这个电场所需的能量也明显小于光伏效应产生的能量。

  电场效应其实并不是什么新发现(工科男女都听说过场效应晶体管吧?),但将其应用在光伏电池中却是很新奇的想法。加州大学和伯克利实验室的研究者们遇到的主要障碍是:在这一方案中,半导体材料上方需要一层触点来产生电场,但很显然这层导体会挡住到达电池的阳光。他们提出的解决方案也并不复杂:要么使用一层很薄的导体,比如石墨(它是透明的),或者使用很多片狭窄的鳍状导体(如上图所示)。

SFPV电池结构图

  那下一步呢?“这项研究为多种半导体材料(如许多金属氧化物、硫化物和磷化物)在光伏电池中的实际应用打开了大门。目前,我们正在试着为生产出廉价高效的太阳能电池寻找潜力最大的材料。”论文的主要作者威尔·里根(Will Regan)对科技博客Ars Technica说。

  即使某种最佳的材料被找到,将其投入大规模生产也不是件容易的事:标准光伏电池是一个巨大的产业(主要在中国),而这些制造商们却没有生产这种新型太阳能电池的设备和技术。和已经在硅材料上投入上万亿美元的计算机芯片产业相比,光伏电池所面对的困难与挑战并没有那么大,但要转向新型的SFPV光伏电池,我们仍然需要做出很多努力。但这项新技术的确可以节约大量的生产成本,毫无疑问,谁能第一个采用这一技术生产出价格明显低于化石燃料的太阳能源,谁就会是未来市场上的赢家。

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