钨碳复合结构光子晶体大幅提升太阳能热光伏电池的稳定性和转换效率

光伏电池只能够利用太阳能辐射中能量与其带宽相近的光能,因此单节太阳能电池的最高理论光电转化效率仅为30% (Shockely-Queisser极限)。目前硅基,GaAs基与钙钛矿基太阳能电池效率已经与该极限接近。而热光伏电池通过选择性吸收/辐射结构,可将全光谱太阳能热辐射转换为可被光伏电池利用的光能,从而有望实现光电转换效率的倍增。这种选择性吸收/辐射结构通常由纳米光子晶体实现。现有的纳米光子晶体制造技术主要利用反应离子刻蚀以及电子束时刻技术,难以实现规模化生产。另外,传统的金属基纳米光子晶体在1000ºC左右的高温下会发生明显的表面扩散现象,导致纳米结构的破坏及光学选择性的降低,使其无法在热光伏电池的高温环境下的应用。

近日,麻省理工学院机械工程系的A. John Hart教授以及崔可航博士提出基于全息干涉图案与化学原子层沉积技术的纳米尺度规模化增材制造工艺,通过第一性时域差分电磁学模拟设计纳米光子晶体的尺寸参数,使用碳纳米管作为构筑单元,成功制备了基于碳纳米管阵列的三维纳米光子晶体结构,在宏观尺度上实现了对于纳米结构单元的精确控制。与传统的金属基纳米光子晶体相比,碳基纳米光子晶体结构具有更高的热稳定性和热辐射选择性,可大幅度抑制波长在2000纳米以上的红外热辐射,同时可显著增强波长在可见光区域的吸收。经过168个小时1000ºC连续真空高温热稳定性测试,碳基纳米光子晶体结构对于热辐射的选择性保持不变,是目前为止稳定性最高的纳米光子晶体结构。利用实验得到的碳基纳米光子晶体结构作为吸收层与热辐射曾,太阳能热光伏电池的理论光电转换效率可达54%。

相关文章在线发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201801471)上。