為了產生最大的能量，太陽能電池的設計就要吸收盡可能多的太陽光。現在，加州大學伯克利分校（University of California, Berkeley）的研究人員設計并演示了一種反直覺的概念：太陽能電池的設計更像發光二極管，可以發光也可以吸收。


伯克利分校研究小組會發表他們的成果，就在2012年激光和電光學大會（CLEO：Conference on Lasers and Electro Optics）上，大會5月6-11日在加利福尼亞州（California）圣何塞（San Jose）舉行。

“我們展示的是，太陽能電池散發光子的效果越好，電壓就越高，也可以產生更大的效率，”艾利•雅布龍維奇（Eli Yablonovitch）說，他是加州大學伯克利分校電氣工程教授，也是首席研究員。

自1961年以來，科學家已經知道，在理想條件下，陽光照射到典型太陽能電池上，產生的電能數量有一個限度。這個絕對限度，從理論上說大約是33.5％。這意味著，最多只有33.5％的入射光子能量可以被吸收，并轉換成有用的電能。

然而，五十年來，研究人員一直無法接近這一效率：2010年來，人們取得的最高效率剛剛超過26％。這是平板式“單結”（single junction）太陽能電池，它吸收的光波都屬于特定頻率以上。“多結”（Multi-junction）電池含有多層，可吸收多種頻率，能夠實現更高的效率。

最近，雅布龍維奇和他的同事們試圖了解，在理論極限與研究人員可達到的限度之間，為什么會出現這樣大的差距。在研究中，一幅“連貫的畫面”出現了，加州大學伯克利分校的研究生歐文•米勒（Owen Miller）說，他也是雅布龍維奇小組的成員。他們有了一個相對簡單的，也許有悖常理的解決方案，這是因為他們從數學上關聯起吸收和發射的光線。

“從根本上說，這是因為有一種熱力學的聯系，存在于吸收和發射之間，”米勒說。設計太陽能電池，使它發光，這樣，光子就不會消失在電池內，這就會有一種自然效果，就是增加太陽能電池產生的電壓。“如果有一個太陽能電池，可以很好地發光，那么，也可以使它產生較高的電壓，”反過來，這就可以獲取更多的電能，這是相對于電池中每單位陽光而言，米勒說。

理論上說，熒光發射和電壓變化具有相關性，這并不新鮮。但是，此前從未考慮過，這個理念可用于設計太陽能電池，米勒繼續說。

去年，海灣地區有一家公司，叫阿爾塔設備公司（Alta Devices），是雅布龍維奇共同創辦的，這家公司利用這一新概念，創造了一種原型太陽能電池，采用的是砷化鎵（GaAs：gallium arsenide），這種材料常用于制造衛星太陽能電池。這個原型打破了世界紀錄，效率從26％跳到28.3％。這家公司取得了這一里程碑，部分是因為，設計電池時，盡可能使光線容易逃出電池，這是因為使用了一些技術，比如增加后鏡的反射率，可以把入射的光子反射回去，穿過前部的設備。

太陽能電池產生電力，是因為來自太陽的光子撞擊電池內的半導體材料。光子的能量敲松材料中的電子，使電子自由流動。但是，這個過程中，撞擊釋放電子也可以產生新的光子，這個過程稱為發光（luminescence）。這一理念支持這種新型太陽能電池設計，這些新的光子不是直接來自太陽，應該盡可能容易地離開電池。

“第一反應通常是，讓這些光子逃逸什么用？”米勒說。“難道你不想讓光子一直在里面，這樣它們就可以創造更多的電子。”然而，數學上看，讓新的光子逃脫會提高電池產生的電壓。

這項研究是“一個很好的有用的方式”，可以使科學家確定，如何提高太陽能電池的性能，以及尋找創造性的新方法，測試和研究太陽能電池，水晶伊斯公司（Crystal IS）的利奧•肖瓦爾特（Leo Schowalter）說，他是倫斯勒理工學院（Rensselaer Polytechnic Institute）客座教授，也是激光和電光學大會發光二極管、光電和節能光電委員會會長。

雅布龍維奇說，他希望，研究人員可以使用這項技術，在未來幾年，取得接近30％的效率。因為這項研究適用于所有類型的太陽能電池，因此，這項成果會影響整個領域。

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