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。
SFPV电池结构图
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)。
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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