半导体硅晶圆：能为太阳能光伏发电带来什么新希望？

相关背景

说起「晶圆」，半导体行业的人一定不会陌生，它是指硅半导体集成电路制作所用的硅晶片，由于形状为圆形，故称为晶圆。硅半导体集成电路的生产制造工艺，一直都离不开这种基本材料。各种各样的集成电路元器件，也是由它制造而出。

创新探索

然而，今天要介绍的并不是晶圆工艺的改善，甚至和集成电路的关联都不大。让我们惊喜的是，科研人员通过创新探索，将晶圆作为材料应用于太阳能发电领域，并且带来了让我们意想不到的新作用。

他们利用已广泛商用的硅晶圆，修改其结构，使它更加有效地吸收太阳能，并且耐高温，以适应“聚光太阳能”发电厂24小时不停运转的需求。

这项发明的细节发表于4月3日的《应用物理快报》杂志。

关键技术

选择性吸收光线

“聚光太阳能”发电系统，一般会利用镜面，将太阳光聚集到“选择性的太阳能吸收器和反射器”上，从而采集和存储能量。为了更加有效采集太阳能，研究人员特别设计了这种低成本的表面材料，它可以选择性地吸收特定频谱范围内的光线，而反射掉其它部分。

防止再次辐射

普渡大学电气和计算机工程学院的助理教授 Peter Bermel 说：“这项研究的关键点在于，为了尽可能高效地采集太阳光，你必须做两件互相竞争的事情：一件是从太阳中吸收尽可能多的能量，而另外一件是不再次辐射能量。如果你让某个东西变得很热，而它就会开始发出红光。而我们却在尝试，在吸收太阳光时，防止发生二次辐射。”

这种硅太阳能设备包含了位于上层的涂有氮化硅的抗反射层，以及由银制成的背面发射层，从而可以有效的降低再次辐射。

对此，Peter Bermel 说：

“在研究中，我们使用了现成的硅晶圆作为设计和制造的平台，制成一种结构能够吸收很多的太阳光，而不会再次辐射多少热量出去。我们在顶部和底部都增加了一层，增强其吸收光线的能力，同时也能反射更长的波长。”

高温下性能稳定

研究团队修改硅晶圆后，它可以承受接近535摄氏度的高温，而不会影响稳定性或者性能。对此，研究生Hao Tian 说：“我们通过实验，展示了选择性的太阳能吸收器，可在高温条件下保持高效。这种结构易于制造，而且在“聚光太阳能”应用的高温条件下保持稳定。”

提高能量转化效率

对于能量转化率，研究生 Zhiguang Zhou 这么说：

“这项工作展示了可以通过十分简单的结构和普通的材料，完成高效的太阳能热能转化。这对于实际应用来说是关键一步，我们希望它能够沿着这条路走下去。”

柔性

通过这种硅晶圆结构，研究人员探索出了由硅薄膜制成的选择性吸收器，薄膜的柔性会带来更多的潜在优势，例如可以应用到弯曲的结构，例如聚光太阳能发电系统用到的，像镜子一般的槽式抛物面。这种“槽式抛物面”可在一整天内追踪太阳，集中太阳能达50倍左右。

Bermel 说：

“这些薄膜不仅性能真的更好，而且它们十分柔软，所以你可以将其覆盖于任何物体表面。”

关键挑战

研究的复杂之处在于，当温度从室温升高到500摄氏度左右时，材料的属性会发生动态变化。

对此，科研团队拓展了他们在该领域之前的研究，开发出了一种精密的模型，它能够模拟温度升高时材料属性的变化。

研究价值

这种研究旨在推进了全球对于混合能源系统的研究，其中包括太阳能光伏电池、热电设备和蒸汽轮机。太阳能光伏电池能将可见光和紫外线转化为电力，热电设备可以将热量转化为电力，蒸汽轮机则可以利用蒸汽发电。

理想地说，这种混合太阳能系统效率超过50%，而作为对比，单独当光伏发电板只有31%。研究人员评估由于“槽式抛物面”带来的太阳聚焦，它能够将光线的51.5%转化为可用的、490摄氏度的高位热量。

Bermel 说：

“这些研究成果弥补了我们之前在设计混合太阳能系统方面的工作上的不足，代表了它可以作为其中一项关键性实验组件，用于这种24小时的太阳能发电系统。”

未来应用

未来的研究包括研究基于「柔性薄膜」的方案，长远的目标是将所有组件集成到一个工作系统中，持续产生电力。这样的系统未来有望应用于大型发电站或者小型住宅系统。

FR：IntelligentThings