创纪录！美国NREL开发光伏电池发电效率达39.5%！

据外媒报道，美国能源部旗下的美国国家可再生能源实验室(NREL)的研究人员日前表示，他们开发的一种光伏电池在“1-sun”条件下的发电效率达到创纪录的39.5%。使其成为了发电效率最高的一种光伏电池(注：1sun是指采用一倍的太阳能光强度，在AM1.5G的大气因子下，光强为96毫瓦/平方厘米)。

NREL高效晶体光伏高级科学家Myles Steiner说，“新开发这种光伏电池效率更高，设计更简单，可用于各种新应用，例如高度受限的应用或低辐射空间应用。”

美国国家可再生能源实验室(NREL)在日前发表的一份名为“由厚量子阱超晶格实现具有39.5%的地面效率和34.2%的太空效率的三结光伏电池”的论文概述了其开发的详细信息，该论文发表在《焦耳》杂志的5月刊上。

而NREL科学家此前在2020年创下了使用III-V族材料的六结光伏电池效率为39.2%的记录。

最近几款效率最高的光伏电池都是基于NREL发明的倒置变形多结(IMM)架构。这种新增强的三结倒置变形多结(IMM)光伏电池现已添加到最佳研究电池效率图表中。该图表显示了一些光伏电池获得的成功，其中包括日本夏普公司在2013年开发的三结倒置变形多结(IMM)光伏电池创造了37.9%的记录。

发电效率的提高是在对“量子阱”光伏电池的研究之后进行的，该电池利用许多非常薄的层来改变光伏电池的特性。NREL的科学家开发了一种具有前所未有性能的量子阱光伏电池，并将其应用到具有不同带隙的三结的设备中，其中每个结都经过调整以捕获和利用太阳光谱的不同部分。

III-V族材料因其在元素周期表中的位置而得名，跨越广泛的能带隙，使它们能够获取不同部分的太阳光谱。其顶部结由磷化镓铟(GaInP)制成，中间是带有量子阱的砷化镓(GaAs)，底部是晶格不匹配的砷化镓(GaInAs)。经过数十年的研究，每种材料都经过了高度优化。

高级科学家和光伏电池设计师France说，“一个关键因素是，虽然砷化镓(GaAs)是一种出色的材料，通常用于制作III-V多结电池，但它并不适合三结光伏电池的带隙，这意味着在光电流平衡方面并不是最佳的。在这里，我们通过使用量子阱修改了带隙，同时保持了优异的材料质量，这使得这种光伏电池在潜在的应用成为可能。”

科学家们在中间层使用量子阱来扩展砷化镓(GaAs)电池的带隙，并增加光伏电池可以吸收的光量。重要的是，他们开发了光学厚度的量子阱器件，并且没有大的电压损失。他们还学习了如何在生长过程中对GaInP顶部电池进行退火以提高其性能，以及如何将晶格不匹配的GaInAs中的位错密度降至最低。总之，这三种材料为新型电池设计提供了信息。

III-V族光伏电池以其高效率而闻名，但其制造工艺和过程成本高昂贵。到目前为止，III-V光伏电池已被用于为卫星、无人机和其他利基应用场合的供电。NREL的研究人员一直致力于大幅降低III-V光伏电池的制造成本，并提供替代电池设计，这将使这些光伏电池在各种新应用中具有经济性。

新的III-V光伏电池还测试了它在太空应用中的效率，特别是对于由光伏电池供电且高电池效率至关重要的通信卫星，并在工作寿命初期的效率为34.2%。目前的光伏电池设计适用于低辐射环境，通过电池结构的进一步发展，可以实现更高辐射的应用。

NREL是美国能源部用于可再生能源和能源效率研发的主要实验室。NREL由可持续能源联盟有限责任公司为美国能源部运营。