前沿科技之微型聚光太阳能电池创纪录

扫街

太阳能电池能有多小，而且仍然可以供电？六百微米宽怎么样？这样，它的直径就相当于圆珠笔尖点下的一个点。
美国能源部国家再生能源实验室（National Renewable Energy Laboratory）最近确认，取得了超过41％的效率，他们聚集1000倍太阳光，作用于微型电池，这种电池是赛普留斯公司制作的，这是这种倍率的一个最高效率纪录。太阳能电池的能量转换效率，是指电池把阳光转换成电能的百分比。
能源部的种子基金，连同国家再生能源实验室升夏孵化器项目（SunShot Incubator Program）的专家们，提升了赛普留斯公司，使这家小型电子新创公司，依靠它的新创意，在太阳能电池世界产生巨大影响。
赛普留斯公司的三结电池是用砷化镓（gallium arsenide）制成。低成本镜头把太阳光线聚焦到微型电池上，达1100倍。它们微小的尺寸意味着，它们只占整个太阳能电池组件面积的千分之一，这就降低了模块的成本。此外，使用大量小型电池，有助于分散不必要的热量，分散到整个电池结构中，这样，就不需要昂贵的热管理硬件，如散热片。
赛普留斯公司工程师使用公司的专利技术，就是微转移印花工艺（micro-transfer printing process），使微型电池从生长基质转移到晶圆上。采用大规模并行工艺，成千上万的电池可以同时转移。这就使原来的基板可以反复使用，大大降低了成本。它也提供了一种方法，可以处理非常小的电池。
这种低成本方法，赛普留斯公司高管说，使制造成本减少了50％，这就引起能源巨头西门子的青睐，西门子今年买下赛普留斯公司16％的股份，这属于2000万美元的风险资本投资。

升夏孵化器项目激励私人投资

2007年以来，美国能源部投资5000万美元，使35家太阳能新创公司参与光伏孵化器项目，就是现在的升夏孵化器，是属于国家再生能源实验室。现在，这些公司的私人投资总额超过13亿美元，达25倍。
美国能源部和国家可再生能源实验室，选择赛普留斯公司作为他们的一家光伏孵化器公司，那是在2010年。孵化器公司获得100万到300万美元，开发他们的概念，制成实际工作原型，或进入试点项目。而且他们也利用国家再生能源实验室科学家的专业知识，协助他们克服障碍，测试可靠性和有效性。

转移印花技术发展，创新太阳能电池应用

但是，赛普留斯公司的背景故事，开始于美国伊利诺斯大学（University of Illinois），约翰•罗杰斯（John Rogers）教授和他的小组开发转移印刷工艺，最初是打算用于柔性电子产品。
9 A  H  t5 j' ]& l8 Z不久，罗杰斯意识到，应用这项技术，可以进行聚光光伏（CPV）设计，而且会更有利可图。
( R( O6 z6 j( m+ N赛普留斯公司培育临时层，是在原砷化镓基板上进行，然后，在这一层上，培育多结太阳能电池结构。然后，晶圆经加工后，使用转移印花工艺，从砷化镓基板中上取下电池，把它们转移到内插晶圆上。
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“我们使用的方法，完全不同于一直沿用的那些，”堪传•高萨尔（Kanchan Ghosal）说，他是聚光光伏应用工程经理和首席研究员，获得赛普留斯公司光伏孵化器奖（PV Incubator Award）。“这种方法使用微型电池和转移印刷，显着减少使用的材料，采用高度聚光的光伏组件。它提供了一种高度并行的方法，制造这种模块，依靠的是成熟的微电子工艺和设备。”

聚光光伏需求，预计每年增加一倍

今年，赛普留斯公司破土动工，在北卡罗来纳州（North Carolina）亨德森（Henderson）建立一所制造厂。北卡罗莱纳州和地方机构投资790万美元，用于这所5万平方英尺的工厂，全面建成后，预计会雇用256人。
北卡罗莱纳州州长贝福•普尔杜（Bev Perdue）指出，他们州“投资教育和职业培训”，所以，这家公司就选择那里的位置。这所工厂预计明年开始运营，初始容量为5兆瓦，最终会发展为35兆瓦。
+ o$ z& s5 X' V. L现有的高度聚光光伏市场，有望每年增加一倍或更多，在未来9年都是这样，到2020年，会达到10万千瓦以上的电力，赛普留斯公司首席执行官焦伊•卡尔（Joe Carr）说。
0 D1 i7 [4 A( W  f+ _5 p与能源部和国家可再生能源实验室合作，富有成效。
赛普留斯公司最初考虑使用这种微转移印花技术制作太阳能电池，是在2007年，当时给予支持的“下一代”基金，来自美国能源部能源效率和可再生能源办公室（Office of Energy Efficiency and Renewable Energy）。
2010年，赛普留斯公司获得了四个地点中的一处，就属于现在的升夏孵化器，孵化器资金来自能源部，是从国家再生能源实验室分离出来。
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( j$ V& r5 M8 f高萨尔笑了，他还记得那疯狂的时刻，那是完成光伏孵化器应用的时候。
“那时，我们勉强符合标准，”高萨尔说。“规定说，必须有一个现成的模块，才有资格，但我们只有一些小方块，几个电池，还不是真正的模块。”
/ Z4 ^/ ~2 M, M0 @9 H因此，赛普留斯公司的工程师们“紧锣密鼓地工作，夜以继日，制成我们的第一个模块。”
“在截止日期前两天，我们就得到了良好的结果，采用的就是第一个模块，”高萨尔说。“我们申请孵化器资金，就是采用这个模块的结果和一个升级计划。”
" {5 W1 e% @4 N3 M高萨尔问公司工程师，是否能满足硬性期限和宏伟目标，这都是国家再生能源实验室规定的， “我当时有不少忧虑。”他回忆说，“国家再生能源实验室要求的很多可交付成果，之前都没有完成。”
但最后都完成了，而赛普留斯公司成为最新的孵化器公司，结果超过了预期，通过了国家再生能源实验室合同的严格规定。
0 e% ~7 h1 \) R: H9 U0 U2 X“看起来像是要求过高，但我们都达到了目标，”高萨尔说。
从明年开始，这种模块将在北卡罗莱纳州工厂生产，这种模块是24英寸乘18英寸，约两个半英寸深，聚光倍数超过1100倍太阳光，效率超过31％。这些模块具有成本竞争力，可媲美化石燃料技术，因为是大量生产。