创新设计使太空轻型太阳能电池的效率翻倍

艺术家对月球基地活动的印象。宾夕法尼亚大学的研究人员提出了一种改进的二维过渡金属二硫化物 (2D TMDC) 太阳能电池设计，由于其轻质特性，这是一种很有前途的解决方案，可为太空探索和定居点提供能源。图片来源：ESA – P. Carril

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宾夕法尼亚大学的研究人员提出了一种轻型二维过渡金属二硫族化物 (2D TMDC) 太阳能电池的新设计，其效率有可能从 5% 提高到 12%。这些电池由于其高比功率而非常适合空间应用，通过超晶格结构得到增强，从而增加太阳能吸收。下一步是开发一种大规模生产的方法。

在为太空探索和定居点提供能源时，常用的由硅或砷化镓制成的太阳能电池仍然太重，无法通过火箭运输。为了应对这一挑战，正在探索各种轻型替代品，包括由硒化钼薄层制成的太阳能电池，属于二维过渡金属二硫化物 (2D TMDC) 太阳能电池的更广泛类别。6 月 6 日发表在Device杂志创刊号上的 研究人员提出了一种设备设计，可以将 2D TMDC 设备的效率从 5% 提高到 12%，正如已经证明的那样。

“我认为人们正在慢慢意识到 2D TMDC 是出色的光伏材料，虽然不是用于地面应用，而是用于移动应用——更灵活，如基于空间的应用，”主要作者和 Device 顾问委员会成员 Deep 说 。宾夕法尼亚大学的贾里瓦拉。“二维 TMDC 太阳能电池的重量比硅或砷化镓太阳能电池轻 100 倍，因此这些电池突然成为一种非常有吸引力的技术。”

虽然 2D TMDC 太阳能电池的效率不如硅太阳能电池，但它们单位重量产生的电量更多，这一特性被称为“比功率”。这是因为厚度仅为 3 至 5 纳米（或比人类头发薄一千倍以上）的层吸收的阳光量可与市售太阳能电池相媲美。它们的极薄使它们获得了“2D”的标签——它们被认为是“扁平的”，因为它们只有几个原子厚。

二维激子太阳能电池有多好？图片来源：Device/Hu 等人。

“高比功率实际上是任何天基光采集或能量采集技术的最大目标之一，”Jariwala 说。“这不仅对卫星或空间站很重要，而且如果你想在太空中使用真正的公用事业规模的太阳能。”

“你必须运送的太阳能电池数量如此之大，以至于目前没有太空飞行器能够以经济可行的方式将这些材料运送到那里。所以，真正的解决方案是你加倍使用重量更轻的电池，这会给你带来更多的能量。”

二维 TMDC 太阳能电池的全部潜力尚未完全发挥，因此 Jariwala 和他的团队一直在寻求进一步提高电池的效率。通常，这种类型的太阳能电池的性能是通过制造一系列测试设备来优化的，但 Jariwala 的团队认为通过计算建模来实现这一点很重要。

此外，该团队认为，要真正突破效率极限，必须正确考虑设备的定义特征之一（并且对建模具有挑战性）特征：激子。

当太阳能电池吸收阳光时会产生激子，它们的主要存在是 2D TMDC 太阳能电池具有如此高的太阳能吸收的原因。当激子的带正电和带负电的成分被汇集到单独的电极时，太阳能电池就会产生电能。

通过以这种方式对太阳能电池进行建模，该团队能够设计出一种效率比已经通过实验证明的高出一倍的设计。

“这个设备的独特之处在于它的超晶格结构，这基本上意味着二维 TMDC 的交替层被间隔层或非半导体层隔开，”Jariwala 说。“将层隔开可以让你在细胞结构内多次反射光，即使细胞结构非常薄。”

“我们没想到这么薄的电池会看到 12% 的值。鉴于目前的效率低于 5%，我希望在未来 4 到 5 年内，人们可以实际展示效率为 10% 或更高的电池。”

Jariwala 表示，下一步是考虑如何为所提议的设计实现大规模的晶圆级生产。“现在，我们正在通过将单个材料一层一层地转移来组装这些超晶格，例如纸张。就好像你把它们从一本书上撕下来，然后像一叠便利贴一样把它们粘在一起，”Jariwala 说。“我们需要一种方法来直接在另一种材料之上生长这些材料。”

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