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半導(dǎo)體硅晶圓:能為太陽能光伏發(fā)電帶來什么新希望?

2018-03-21 10:50:38 大云網(wǎng)  點擊量: 評論 (0)
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。

半導(dǎo)體硅晶圓:能為太陽能光伏發(fā)電帶來什么新希望?

相關(guān)背景

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。

半導(dǎo)體硅晶圓:能為太陽能光伏發(fā)電帶來什么新希望?

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小時不停運轉(zhuǎn)的需求。

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

關(guān)鍵技術(shù)

半導(dǎo)體硅晶圓:能為太陽能光伏發(fā)電帶來什么新希望?

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(jī)工程學(xué)院的助理教授 Peter Bermel 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,Peter Bermel 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(qiáng)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(tuán)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(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(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,材料的屬性會發(fā)生動態(tài)變化。

對此,科研團(tuán)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(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(yuǎn)的目標(biāo)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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責(zé)任編輯:蔣桂云

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