半導(dǎo)體硅晶圓給太陽能光伏發(fā)電帶來新希望
光伏產(chǎn)業(yè)網(wǎng)訊
發(fā)布日期:2017-04-07
核心提示:
一個是半導(dǎo)體材料晶圓,一個是太陽能光伏發(fā)電,似乎是沒有關(guān)聯(lián)的兩個領(lǐng)域,但是在它們相結(jié)合的時候,新的希望發(fā)生了。最近,美國普渡大學(xué)的一項研究成果證明了這一點。
一個是半導(dǎo)體材料晶圓,一個是太陽能光伏發(fā)電,似乎是沒有關(guān)聯(lián)的兩個領(lǐng)域,但是在它們相結(jié)合的時候,新的希望發(fā)生了。最近,美國普渡大學(xué)的一項研究成果證明了這一點。
說起「晶圓」,半導(dǎo)體行業(yè)的人一定不會陌生,它是指硅半導(dǎo)體集成電路制作所用的硅晶片,由于形狀為圓形,故稱為晶圓。硅半導(dǎo)體集成電路的生產(chǎn)制造工藝,一直都離不開這種基本材料。各種各樣的集成電路元器件,也是由它制造而出。
然而,今天要介紹的并不是晶圓工藝的改善,甚至和集成電路的關(guān)聯(lián)都不大。讓我們驚喜的是,科研人員通過創(chuàng)新探索,將晶圓作為材料應(yīng)用于太陽能發(fā)電領(lǐng)域,并且?guī)砹俗屛覀円庀氩坏降男伦饔谩?/div>
他們利用已廣泛商用的硅晶圓,修改其結(jié)構(gòu),使它更加有效地吸收太陽能,并且耐高溫,以適應(yīng)“聚光太陽能”發(fā)電廠24小時不停運轉(zhuǎn)的需求。
這項發(fā)明的細節(jié)發(fā)表于4月3日的《應(yīng)用物理快報》雜志。
選擇性吸收光線
“聚光太陽能”發(fā)電系統(tǒng),一般會利用鏡面,將太陽光聚集到“選擇性的太陽能吸收器和反射器”上,從而采集和存儲能量。為了更加有效采集太陽能,「研究人員特別設(shè)計了這種低成本的表面材料,它可以選擇性地吸收特定頻譜范圍內(nèi)的光線,而反射掉其它部分」。
防止再次輻射
普渡大學(xué)電氣和計算機工程學(xué)院的助理教授PeterBermel說:
“這項研究的關(guān)鍵點在于,為了盡可能高效地采集太陽光,你必須做兩件互相競爭的事情:一件是從太陽中吸收盡可能多的能量,而另外一件是不再次輻射能量。如果你讓某個東西變得很熱,而它就會開始發(fā)出紅光。而我們卻在嘗試,在吸收太陽光時,防止發(fā)生二次輻射。”
這種硅太陽能設(shè)備包含了位于上層的涂有氮化硅的抗反射層,以及由銀制成的背面發(fā)射層,從而可以有效的降低再次輻射。
對此,PeterBermel說:
“在研究中,我們使用了現(xiàn)成的硅晶圓作為設(shè)計和制造的平臺,制成一種結(jié)構(gòu)能夠吸收很多的太陽光,而不會再次輻射多少熱量出去。我們在頂部和底部都增加了一層,增強其吸收光線的能力,同時也能反射更長的波長。”
高溫下性能穩(wěn)定
研究團隊修改硅晶圓后,它可以承受接近535攝氏度的高溫,而不會影響穩(wěn)定性或者性能。對此,研究生HaoTian說:
“我們通過實驗,展示了選擇性的太陽能吸收器,可在高溫條件下保持高效。這種結(jié)構(gòu)易于制造,而且在“聚光太陽能”應(yīng)用的高溫條件下保持穩(wěn)定。”
提高能量轉(zhuǎn)化效率
對于能量轉(zhuǎn)化率,研究生ZhiguangZhou這么說:
“這項工作展示了可以通過十分簡單的結(jié)構(gòu)和普通的材料,完成高效的太陽能熱能轉(zhuǎn)化。這對于實際應(yīng)用來說是關(guān)鍵一步,我們希望它能夠沿著這條路走下去。”
柔性
通過這種硅晶圓結(jié)構(gòu),研究人員探索出了由硅薄膜制成的選擇性吸收器,薄膜的柔性會帶來更多的潛在優(yōu)勢,例如可以應(yīng)用到彎曲的結(jié)構(gòu),例如聚光太陽能發(fā)電系統(tǒng)用到的,像鏡子一般的「槽式拋物面」。這種“槽式拋物面”可在一整天內(nèi)追蹤太陽,集中太陽能達50倍左右。
Bermel說:
“這些薄膜不僅性能真的更好,而且它們十分柔軟,所以你可以將其覆蓋于任何物體表面。”
關(guān)鍵挑戰(zhàn)
研究的復(fù)雜之處在于,當溫度從室溫升高到500攝氏度左右時,材料的屬性會發(fā)生動態(tài)變化。
對此,科研團隊拓展了他們在該領(lǐng)域之前的研究,開發(fā)出了一種精密的模型,它能夠模擬溫度升高時材料屬性的變化。
研究價值
這種研究旨在推進了全球?qū)τ凇富旌夏茉聪到y(tǒng)」的研究,其中包括太陽能光伏電池、熱電設(shè)備和蒸汽輪機。太陽能光伏電池能將可見光和紫外線轉(zhuǎn)化為電力,熱電設(shè)備可以將熱量轉(zhuǎn)化為電力,蒸汽輪機則可以利用蒸汽發(fā)電。
理想地說,這種混合太陽能系統(tǒng)效率超過50%,而作為對比,單獨當光伏發(fā)電板只有31%。研究人員評估由于“槽式拋物面”帶來的太陽聚焦,它能夠?qū)⒐饩€的51.5%轉(zhuǎn)化為可用的、490攝氏度的高位熱量。
Bermel說:
“這些研究成果彌補了我們之前在設(shè)計混合太陽能系統(tǒng)方面的工作上的不足,代表了它可以作為其中一項關(guān)鍵性實驗組件,用于這種24小時的太陽能發(fā)電系統(tǒng)。”
未來應(yīng)用
未來的研究包括研究基于「柔性薄膜」的方案,長遠的目標是將所有組件集成到一個工作系統(tǒng)中,持續(xù)產(chǎn)生電力。這樣的系統(tǒng)未來有望應(yīng)用于「大型發(fā)電站或者小型住宅系統(tǒng)」。
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