半導體硅晶圓：能為太陽能光伏發電帶來什麼新希望？

導讀

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

（圖片來源於：普渡大學/Zhiguang Zhou）

相關背景

說起「晶圓」，半導體行業的人一定不會陌生，它是指硅半導體集成電路製作所用的硅晶片，由於形狀為圓形，故稱為晶圓。硅半導體集成電路的生產製造工藝，一直都離不開這種基本材料。各種各樣的集成電路元器件，也是由它製造而出。

（圖片來源於：維基百科）

創新探索

然而，今天要介紹的並不是晶圓工藝的改善，甚至和集成電路的關聯都不大。讓我們驚喜的是，科研人員通過創新探索，將晶圓作為材料應用於太陽能發電領域，並且帶來了讓我們意想不到的新作用。

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，並且耐高溫，以適應「聚光太陽能」發電廠24小時不停運轉的需求。

這項發明的細節發表於4月3日的《應用物理快報》雜誌。

關鍵技術

（圖片來源於：維基百科）

• 選擇性吸收光線

「聚光太陽能」發電系統，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，從而採集和存儲能量。為了更加有效採集太陽能，「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範圍內的光線，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於，為了儘可能高效地採集太陽光，你必須做兩件互相競爭的事情：一件是從太陽中吸收儘可能多的能量，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，而它就會開始發出紅光。而我們卻在嘗試，在吸收太陽光時，防止發生二次輻射。」

這種硅太陽能設備包含了位於上層的塗有氮化硅的抗反射層，以及由銀製成的背面發射層，從而可以有效的降低再次輻射。

對此，Peter Bermel 說：

「在研究中，我們使用了現成的硅晶圓作為設計和製造的平台，製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。」

• 高溫下性能穩定

研究團隊修改硅晶圓後，它可以承受接近535攝氏度的高溫，而不會影響穩定性或者性能。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。這種結構易於製造，而且在「聚光太陽能」應用的高溫條件下保持穩定。」

• 提高能量轉化效率

對於能量轉化率，研究生 Zhiguang Zhou 這麼說：

「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。這對於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製成的選擇性吸收器，薄膜的柔性會帶來更多的潛在優勢，例如可以應用到彎曲的結構，例如聚光太陽能發電系統用到的，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於任何物體表面。」

關鍵挑戰

研究的複雜之處在於，當溫度從室溫升高到500攝氏度左右時，材料的屬性會發生動態變化。

對此，科研團隊拓展了他們在該領域之前的研究，開發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於「混合能源系統」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電。

理想地說，這種混合太陽能系統效率超過50%，而作為對比，單獨當光伏發電板只有31%。研究人員評估由於「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，用於這種24小時的太陽能發電系統。」

未來應用

未來的研究包括研究基於「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中，持續產生電力。這樣的系統未來有望應用於「大型發電站或者小型住宅系統」。

參考資料

【1】http://www.purdue.edu/newsroom/releases/2017/Q2/low-cost-solar-absorber-promising-for-future-power-plants-----.html

【2】Hao Tian et al. High temperature efficient, stable Si wafer-based selective solar absorbers, Applied Physics Letters (2017). DOI: 10.1063/1.4979510

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