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微型聚光太阳能电池创纪录

发布时间:2020-07-01 00:58:12 阅读: 来源:垫圈厂家

太阳能电池能有多小,而且仍然可以供电?六百微米宽怎么样?这样,它的直径就相当于圆珠笔尖点下的一个点。

本文引用地址:美国能源部国家再生能源实验室(National Renewable Energy Laboratory)最近确认,取得了超过41%的效率,他们聚集1000倍太阳光,作用于微型电池,这种电池是赛普留斯公司制作的,这是这种倍率的一个最高效率纪录。太阳能电池的能量转换效率,是指电池把阳光转换成电能的百分比。

能源部的种子基金,连同国家再生能源实验室升夏孵化器项目(SunShot Incubator Program)的专家们,提升了赛普留斯公司,使这家小型电子新创公司,依靠它的新创意,在太阳能电池世界产生巨大影响。

赛普留斯公司的三结电池是用砷化镓(gallium arsenide)制成。低成本镜头把太阳光线聚焦到微型电池上,达1100倍。它们微小的尺寸意味着,它们只占整个太阳能电池组件面积的千分之一,这就降低了模块的成本。此外,使用大量小型电池,有助于分散不必要的热量,分散到整个电池结构中,这样,就不需要昂贵的热管理硬件,如散热片。

赛普留斯公司工程师使用公司的专利技术,就是微转移印花工艺(micro-transfer printing process),使微型电池从生长基质转移到晶圆上。采用大规模并行工艺,成千上万的电池可以同时转移。这就使原来的基板可以反复使用,大大降低了成本。它也提供了一种方法,可以处理非常小的电池。

这种低成本方法,赛普留斯公司高管说,使制造成本减少了50%,这就引起能源巨头西门子的青睐,西门子今年买下赛普留斯公司16%的股份,这属于2000万美元的风险资本投资。

升夏孵化器项目激励私人投资

2007年以来,美国能源部投资5000万美元,使35家太阳能新创公司参与光伏孵化器项目,就是现在的升夏孵化器,是属于国家再生能源实验室。现在,这些公司的私人投资总额超过13亿美元,达25倍。

美国能源部和国家可再生能源实验室,选择赛普留斯公司作为他们的一家光伏孵化器公司,那是在2010年。孵化器公司获得100万到300万美元,开发他们的概念,制成实际工作原型,或进入试点项目。而且他们也利用国家再生能源实验室科学家的专业知识,协助他们克服障碍,测试可靠性和有效性。

转移印花技术发展,创新太阳能电池应用

但是,赛普留斯公司的背景故事,开始于美国伊利诺斯大学(University of Illinois),约翰?罗杰斯(John Rogers)教授和他的小组开发转移印刷工艺,最初是打算用于柔性电子产品。

不久,罗杰斯意识到,应用这项技术,可以进行聚光光伏(CPV)设计,而且会更有利可图。

赛普留斯公司培育临时层,是在原砷化镓基板上进行,然后,在这一层上,培育多结太阳能电池结构。然后,晶圆经加工后,使用转移印花工艺,从砷化镓基板中上取下电池,把它们转移到内插晶圆上。

国家再生能源实验室最先进的测试和表征仪器,在检测太阳能电池的质量和效率,比如赛普留斯公司制作的这个模块。来源:国家再生能源实验室

“我们使用的方法,完全不同于一直沿用的那些,”堪传?高萨尔(Kanchan Ghosal)说,他是聚光光伏应用工程经理和首席研究员,获得赛普留斯公司光伏孵化器奖(PV Incubator Award)。“这种方法使用微型电池和转移印刷,显着减少使用的材料,采用高度聚光的光伏组件。它提供了一种高度并行的方法,制造这种模块,依靠的是成熟的微电子工艺和设备。”

聚光光伏需求,预计每年增加一倍

今年,赛普留斯公司破土动工,在北卡罗来纳州(North Carolina)亨德森(Henderson)建立一所制造厂。北卡罗莱纳州和地方机构投资790万美元,用于这所5万平方英尺的工厂,全面建成后,预计会雇用256人。

北卡罗莱纳州州长贝福?普尔杜(Bev Perdue)指出,他们州“投资教育和职业培训”,所以,这家公司就选择那里的位置。这所工厂预计明年开始运营,初始容量为5兆瓦,最终会发展为35兆瓦。

现有的高度聚光光伏市场,有望每年增加一倍或更多,在未来9年都是这样,到2020年,会达到10万千瓦以上的电力,赛普留斯公司首席执行官焦伊?卡尔(Joe Carr)说。

与能源部和国家可再生能源实验室合作,富有成效。

赛普留斯公司最初考虑使用这种微转移印花技术制作太阳能电池,是在2007年,当时给予支持的“下一代”基金,来自美国能源部能源效率和可再生能源办公室(Office of Energy Efficiency and Renewable Energy)。

2010年,赛普留斯公司获得了四个地点中的一处,就属于现在的升夏孵化器,孵化器资金来自能源部,是从国家再生能源实验室分离出来。

高萨尔笑了,他还记得那疯狂的时刻,那是完成光伏孵化器应用的时候。

“那时,我们勉强符合标准,”高萨尔说。“规定说,必须有一个现成的模块,才有资格,但我们只有一些小方块,几个电池,还不是真正的模块。”

因此,赛普留斯公司的工程师们“紧锣密鼓地工作,夜以继日,制成我们的第一个模块。”

“在截止日期前两天,我们就得到了良好的结果,采用的就是第一个模块,”高萨尔说。“我们申请孵化器资金,就是采用这个模块的结果和一个升级计划。”

高萨尔问公司工程师,是否能满足硬性期限和宏伟目标,这都是国家再生能源实验室规定的, “我当时有不少忧虑。”他回忆说,“国家再生能源实验室要求的很多可交付成果,之前都没有完成。”

但最后都完成了,而赛普留斯公司成为最新的孵化器公司,结果超过了预期,通过了国家再生能源实验室合同的严格规定。

“看起来像是要求过高,但我们都达到了目标,”高萨尔说。

从明年开始,这种模块将在北卡罗莱纳州工厂生产,这种模块是24英寸乘18英寸,约两个半英寸深,聚光倍数超过1100倍太阳光,效率超过31%。这些模块具有成本竞争力,可媲美化石燃料技术,因为是大量生产。

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