半導(dǎo)體硅晶圓：能為太陽能光伏發(fā)電帶來什么新希望？

一個(gè)是半導(dǎo)體材料晶圓，一個(gè)是太陽能光伏發(fā)電，似乎是沒有關(guān)聯(lián)的兩個(gè)領(lǐng)域，但是在它們相結(jié)合的時(shí)候，新的希望發(fā)生了。最近，美國普渡大學(xué)的一項(xiàng)研究成果證明了這一點(diǎn)。

相關(guān)背景

說起「晶圓」，半導(dǎo)體行業(yè)的人一定不會(huì)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。

創(chuàng)新探索

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?/p>

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(shí)不停運(yùn)轉(zhuǎn)的需求。

這項(xiàng)發(fā)明的細(xì)節(jié)發(fā)表于4月3日的《應(yīng)用物理快報(bào)》雜志。

關(guān)鍵技術(shù)

選擇性吸收光線

聚光太陽能發(fā)電系統(tǒng)，一般會(huì)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(chǔ)能量。為了更加有效采集太陽能，研究人員特別設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)工程學(xué)院的助理教授 Peter Bermel 說：這項(xiàng)研究的關(guān)鍵點(diǎn)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(gè)東西變得很熱，而它就會(huì)開始發(fā)出紅光。而我們卻在嘗試，在吸收太陽光時(shí)，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，Peter Bermel 說：

在研究中，我們使用了現(xiàn)成的硅晶圓作為設(shè)計(jì)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(huì)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(qiáng)其吸收光線的能力，同時(shí)也能反射更長的波長。

高溫下性能穩(wěn)定

研究團(tuán)隊(duì)修改硅晶圓后，它可以承受接近535攝氏度的高溫，而不會(huì)影響穩(wěn)定性或者性能。對此，研究生Hao Tian 說：我們通過實(shí)驗(yàn)，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 Zhiguang Zhou 這么說：

這項(xiàng)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(shí)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(huì)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(dá)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(dāng)溫度從室溫升高到500攝氏度左右時(shí)，材料的屬性會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)變化。

對此，科研團(tuán)隊(duì)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(shí)材料屬性的變化。

研究價(jià)值

這種研究旨在推進(jìn)了全球?qū)τ诨旌夏茉聪到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(jī)。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(jī)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(dú)當(dāng)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(bǔ)了我們之前在設(shè)計(jì)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(xiàng)關(guān)鍵性實(shí)驗(yàn)組件，用于這種24小時(shí)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(yuǎn)的目標(biāo)是將所有組件集成到一個(gè)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)。