一個是半導體材料晶圓，一個是太陽能光伏發(fā)電，似乎是沒有關聯(lián)的兩個領域，但是在它們相結合的時候，新的希望發(fā)生了。最近，美國普渡大學的一項研究成果證明了這一點。

相關背景

說起「晶圓」，半導體行業(yè)的人一定不會陌生，它是指硅半導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，將晶圓作為材料應用于太陽能發(fā)電領域，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，修改其結構，使它更加有效地吸收太陽能，并且耐高溫，以適應“聚光太陽能”發(fā)電廠24小時不停運轉的需求。

這項發(fā)明的細節(jié)發(fā)表于4月3日的《應用物理快報》雜志。

關鍵技術

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

普渡大學電氣和計算機工程學院的助理教授 Peter Bermel 說：“這項研究的關鍵點在于，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)成的硅晶圓作為設計和制造的平臺，制成一種結構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Hao Tian 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。這種結構易于制造，而且在“聚光太陽能”應用的高溫條件下保持穩(wěn)定。”

提高能量轉化效率

對于能量轉化率，研究生 Zhiguang Zhou 這么說：

“這項工作展示了可以通過十分簡單的結構和普通的材料，完成高效的太陽能熱能轉化。這對于實際應用來說是關鍵一步，我們希望它能夠沿著這條路走下去。”

柔性

通過這種硅晶圓結構，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，例如可以應用到彎曲的結構，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。”

關鍵挑戰(zhàn)

研究的復雜之處在于，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對于混合能源系統(tǒng)的研究，其中包括太陽能光伏電池、熱電設備和蒸汽輪機。太陽能光伏電池能將可見光和紫外線轉化為電力，熱電設備可以將熱量轉化為電力，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，它能夠將光線的51.5%轉化為可用的、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)未來有望應用于大型發(fā)電站或者小型住宅系統(tǒng)。