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研究人员推进太阳能材料的生产

  • 科学
  • 2020-02-04 16:23:01
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华盛顿州立大学的一个研究小组开发了一种更高效、更安全、更经济的方法来生产用于太阳能电池或其他应用的碲化镉(CdTe)材料,这一发现可能会推动太阳能产业的发展,使其更具竞争力。

研究人员表示,他们可以在一天之内迅速培育出大量高纯度的CdTe材料——一种超过公斤大小的晶体——这在业内被认为是闪电般的速度。该技术使用高压炉生产大量所需的晶体原料,成本效益比行业标准高出45%,可扩展,这可能使CdTe太阳能技术比天然气更便宜。所生产的晶体材料也比现有的材料具有更好的电学性能。

研究人员与国家可再生能源实验室(NREL)和行业合作伙伴Nious Technologies, Inc.合作,在《晶体生长杂志》上报告了他们的工作。

CdTe光伏电池是一种较流行的硅太阳能电池更新的技术,在效率方面具有竞争力。它们在炎热潮湿的天气里也表现得更好。尽管与硅相比,CdTe太阳能电池在成本和效率方面具有显著优势,但它们目前在太阳能市场的份额还不到10%,主要是在公用事业领域。特别是,当前的生产方法速度慢、成本高、麻烦,并且缺乏定制的灵活性。

“目前原材料生产存在一个巨大的问题,”美国材料研究所(Institute of Materials research)研究助理教授、论文作者之一桑托什•斯温(Santosh Swain)表示。“太阳能产业稳步提高了设备效率和制造设备,但进一步的效率提高和成本降低需要改进CdTe材料的性能。”

目前的制造过程包括将碲化镉材料放入密封的玻璃管中进行烹饪,以控制反应。它需要很长的时间,管子不能重复使用,而且硅玻璃的热、质量和压力是有限的。由于担心这种材料会爆炸,该行业在晶体尺寸上受到了限制。为了制造太阳能电池,晶体被蒸发到玻璃基板上,形成非常薄的薄膜。

新技术使用坚固的石墨坩埚,材料在高压布里奇曼炉中烹饪。高压环境完全消除了爆炸的可能性,也允许研究人员在制造过程中容易地添加高浓度的额外材料,即掺杂剂,以改善材料的性能。2016年,WSU的研究团队与NREL和田纳西大学(University of Tennessee)合作,通过添加磷作为掺杂剂,大大改进了CdTe技术,克服了60年来一直追求的1伏特限制。在这个项目中,研究人员加入了砷作为掺杂剂。

该论文的主要作者、博士生Tawfeeq Al-Hamdi说,在原料制造过程中添加高挥发性的掺杂剂也可以消除沉积后可能导致不均匀性问题的掺杂需要。

“服用兴奋剂是一个关键的策略,”合著者赛斯·麦克弗森(Seth McPherson)说。“在80个大气压的压力下,你真的可以把掺杂剂塞入材料中,你不必担心它们会从晶体中蒸发掉,或者从系统中逸出。”

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