美国能源部国家可再生能源实验室(NREL)的研究人员创造了一种太阳能电池，在1太阳全球照明下，其效率达到创纪录的39.5%。这是任何类型中效率最高的太阳能电池，使用标准1-sun条件测量。

“新电池效率更高，设计更简单，可用于各种新应用，例如高度受限的应用或低辐射空间应用，”NREL高效能高级科学家迈尔斯·施泰纳(MylesSteiner)说。CrystallinePhotovoltaics(PV)Group和该项目的首席研究员。他与NREL的同事RyanFrance、JohnGeisz、TaoSong、WaldoOlavarria、MichelleYoung和AlanKibbler一起工作。

论文“三结太阳能电池具有39.5%的陆地和34.2%的空间效率，由厚量子阱超晶格实现”一文概述了开发的详细信息，该论文发表在《焦耳》杂志5月刊上。

NREL科学家此前在2020年创下了使用III-V材料的六结太阳能电池效率为39.2%的记录。

最近一些最好的太阳能电池都是基于NREL发明的倒置变质多结(IMM)架构。这种新增强的三结IMM太阳能电池现已添加到最佳研究电池效率图表中。该图表显示了实验太阳能电池的成功，包括日本夏普公司在2013年建立的37.9%的三结IMM记录。

效率的提高是在对“量子阱”太阳能电池的研究之后进行的，该电池利用许多非常薄的层来改变太阳能电池的特性。科学家们开发了一种具有前所未有性能的量子阱太阳能电池，并将其应用到具有三个带隙不同的结的设备中，其中每个结都经过调整以捕获和利用太阳光谱的不同部分。

III-V材料，因其在元素周期表中的位置而得名，跨越广泛的能带隙，使它们能够瞄准太阳光谱的不同部分。顶部结由磷化镓铟(GaInP)制成，中间是带有量子阱的砷化镓(GaAs)，底部是晶格不匹配的砷化镓(GaInAs)。经过数十年的研究，每种材料都经过了高度优化。

“一个关键因素是，虽然GaAs是一种出色的材料，并且通常用于III-V多结电池，但它对于三结电池没有完全正确的带隙，这意味着三个电池之间的光电流平衡不是最佳的”高级科学家和细胞设计师France说。“在这里，我们通过使用量子阱修改了带隙，同时保持了出色的材料质量，这使得该设备和潜在的其他应用成为可能。”

科学家们在中间层使用量子阱来扩展GaAs电池的带隙并增加电池可以吸收的光量。重要的是，他们开发了光学厚的量子阱器件，没有大的电压损失。他们还学习了如何在生长过程中对GaInP顶部电池进行退火以提高其性能，以及如何将晶格不匹配的GaInAs中的穿线位错密度降至最低，这在单独的出版物中进行了讨论。总之，这三种材料为新型电池设计提供了信息。

III-V电池以其高效率而闻名，但传统上制造过程非常昂贵。到目前为止，III-V电池已被用于为空间卫星、无人机和其他利基应用等应用供电。NREL的研究人员一直致力于大幅降低III-V电池的制造成本并提供替代电池设计，这将使这些电池经济适用于各种新应用。

新的III-V电池还测试了它在空间应用中的效率，特别是对于由太阳能电池供电且高电池效率至关重要的通信卫星，在开始时的效率为34.2%-寿命测量。目前的电池设计适用于低辐射环境，通过电池结构的进一步发展，可以实现更高辐射的应用。