在世界许多地方，太阳能发电成本开始与价格较低的化石燃料电价相提并论，但清洁能源仍仅占全球电力结构的1%多一点。

将太阳光转化为电能的太阳能或光伏(PV)电池在推动全球太阳能发电方面发挥着重要作用，但研究人员仍然面临扩大这项技术的局限。例如，开发能够以非常低的成本将大量太阳光转换成可用电能的非常高效的太阳能电池仍然是一个重大挑战。

来自麻省理工学院和马斯达尔科学技术研究所的一组研究人员可能已经找到了解决效率和成本之间看似难以解决的问题的方法。该团队开发了一种新型太阳能电池，它结合了两层不同的阳光吸收材料，以收集更广泛的太阳能。研究人员将该设备称为“阶梯单元”，因为这两层以逐步的方式排列，下层突出于上层下方，以便将两层暴露在外来的阳光下。这种分层或“多结”太阳能电池的制造成本通常很高，但研究人员还对其阶梯电池采用了新颖，低成本的制造工艺。

该团队的步进单元概念可以达到理论效率40%以上，估计实际效率达到35%，这促使该团队的主要研究人员 - 马斯达尔研究所的电气工程和计算机科学副教授Ammar Nayfeh和麻省理工学院的Eugene Fitzgerald，Merton C Flemings-SMA材料科学与工程教授 - 计划一家初创公司将有前途的太阳能电池商业化。

Fitzgerald已经成立了几家初创公司，包括AmberWave Systems公司，Paradigm Research公司和4Power公司，他们认为，在未来一两年内，台阶电池可能已经为光伏市场做好准备。

该团队于6月在俄勒冈州波特兰举行的第43届IEEE光伏专家会议上展示了其最初的概念验证步骤单元。研究人员还在第40届和第42届年会以及应用物理学杂志和IEEE光伏期刊上报告了他们的发现。

超越硅

十多年来，传统的硅晶体太阳能电池在效率方面被吹捧为业界的黄金标准，制造成本相对较低，但它们在将太阳光转化为电能方面效率不高。平均而言，由硅基太阳能电池制成的太阳能电池板将太阳能的15%至20%转化为可用电力。

硅的低阳光 - 电能效率部分归因于称为带隙的特性，其阻止半导体有效地将高能光子(例如由蓝色，绿色和黄色光波发射的光子)转换成电能。相反，只有较低能量的光子，例如由较长的红光波发射的光子，才能有效地转换成电能。

为了利用更多太阳的高能光子，科学家们探索了不同的半导体材料，如砷化镓和磷化镓。虽然这些半导体的效率高于硅，但最高效率的太阳能电池是通过将不同的半导体材料层叠在一起并对其进行微调以使每个半导体能够吸收不同的电磁波谱片而制成的。

这些分层太阳能电池的理论效率可以达到50%以上，但是它们非常高的制造成本已经降低了它们在小型应用中的应用，例如卫星，其中高成本不如低重量和高效率重要。

相比之下，马斯达尔研究所-MIT步进电池可以以很小的成本制造，因为关键部件是在可以重复使用的基板上制造的。因此，该器件可以在工业级帮助促进高效多结太阳能电池的商业应用。

成功的步骤

步进电池是通过在低成本硅太阳能电池上层叠基于砷化镓磷化物的太阳能电池制成的，该太阳能电池由吸收并有效转换高能光子的半导体材料组成。

硅层暴露，看起来像底部步骤。这种有意的步骤设计允许顶部的砷化镓磷化物(GaAsP)层吸收高能光子(来自蓝光，绿光和黄光)，使底部硅层自由地吸收低能光子(来自红光)通过顶层但也从整个可见光谱传输。

“我们意识到，当顶部的砷化镓磷化物层完全覆盖底部硅层时，较低能量的光子被硅锗吸收 - 生长砷化镓磷化物的基板 - 因此太阳能电池具有效率低得多，“马斯达尔研究所博士生Sabina Abdul Hadi解释说，他的博士论文为步进电池提供了基础研究。“通过蚀刻掉顶层并暴露一些硅层，我们能够大大提高效率。”

在Nayfeh的监督下工作，Abdul Hadi根据实验结果进行了模拟，以确定硅上GaAsP层的最佳水平和几何配置，以获得最高效率。她的发现导致了该团队最初的概念验证太阳能电池。作为马斯达尔研究所的博士后研究员，Abdul Hadi将继续支持步进细胞的技术开发。

在麻省理工学院方面，该团队开发了GaAsP，他们通过在由硅锗(SiGe)制成的衬底上生长半导体合金来实现。

“砷化镓磷化物不能直接在硅上生长，因为它的晶格与硅的晶格差别很大，因此硅晶体会降解。这就是我们在硅锗上生长砷化镓磷化物的原因 - 它提供了更稳定的碱基，” Nayfeh。

GaAsP层下的硅锗的问题在于SiGe在到达底部硅层之前吸收较低能量的光波，并且SiGe不会将这些低能量光波转换成电流。

“为了解决硅锗带来的光学问题，我们开发了阶梯单元的概念，这使我们能够利用磷酸镓和硅的不同能量吸收带，”Nayfeh说。

步进电池概念导致改进的电池，其中SiGe模板被移除并重新使用，从而形成太阳能电池，其中GaAsP电池片直接位于硅电池顶部。步进电池允许SiGe重复使用，因为GaAsP电池片在转移过程中可能被切割不足。Fitzgerald解释了未来的低成本制造工艺：“我们在硅锗顶部生长了砷化镓磷化物，在优化的几何结构中形成图案，并将其粘合到硅电池上。然后我们蚀刻通过图案化的通道和剥离了硅上的硅锗合金。剩下的就是高效串联太阳能电池和硅锗模板，可以重复使用。“

因为串联电池结合在一起，而不是形成为单片太阳能电池(其中所有层都生长在单个基板上)，SiGe可以被移除并重复使用，这显着降低了制造成本。

“添加一层砷化镓磷化物可以真正提高太阳能电池的效率，但由于具有独特的蚀刻硅锗并重复使用的能力，成本保持在低水平，因为您可以在整个过程中分摊硅锗成本制造许多细胞，“Fitzgerald补充道。

填补市场空白

Fitzgerald认为，步进电池非常适合太阳能光伏市场的现有差距，即超高效率和低效率的工业应用之间。随着市场缺口的增加，制造成本应该随着时间的推移进一步降低。

该项目是马斯达尔研究所的三个麻省理工学院旗舰研究项目之一，这是一个涉及两所大学教师和学生的高潜力项目。麻省理工学院和马斯达尔研究所合作项目于2007年帮助启动了马斯达尔研究所。两个研究所之间的研究合作解决了全球能源和可持续性问题，并寻求在阿布扎比发展研发能力。

“这项研究项目强调了研究和国际合作在开发商业相关技术创新方面所发挥的重要作用，它完美地证明了研究理念如何能够转变为企业家的现实，”Nayfeh说。