Источник: Solarindustrymag.com
Исследователи из Министерства энергетики СШАНациональная лаборатория возобновляемых источников энергии(NREL) создали солнечный элемент с рекордной эффективностью 39,5% при 1-солнечном глобальном освещении. Это самый эффективный солнечный элемент любого типа, измеренный при стандартных 1-солнечных условиях.
«Новая ячейка более эффективна и имеет более простую конструкцию, которая может быть полезна для множества новых приложений, таких как приложения с очень ограниченной площадью или космические приложения с низким уровнем излучения», — говорит Майлс Штайнер, старший научный сотрудник NREL. Crystalline Photovoltaics (PV) Group и главный исследователь проекта. Он работал вместе с коллегами из NREL Райаном Франсом, Джоном Гейсом, Тао Сонгом, Уолдо Олаваррией, Мишель Янг и Аланом Кибблером.
Подробности разработки изложены в статье «Солнечные элементы с тройным переходом с 39,5-процентной земной и 34,2-процентной космической эффективностью, обеспечиваемой толстыми сверхрешетками с квантовыми ямами», которая опубликована в майском номере журнала Joule.
Ученые NREL ранее установили рекорд в 2020 году, создав шестипереходный солнечный элемент с эффективностью 39,2% с использованием материалов III-V.
Некоторые из лучших современных солнечных элементов основаны на архитектуре инвертированного метаморфического многоперехода (IMM), изобретенной в NREL. Этот недавно усовершенствованный солнечный элемент IMM с тройным переходом был добавлен в таблицу эффективности лучших исследовательских ячеек. Диаграмма, которая показывает успех экспериментальных солнечных элементов, включает предыдущий рекорд IMM с тремя переходами в 37,9%, установленный в 2013 году японской корпорацией Sharp.
Повышение эффективности последовало за исследованиями солнечных элементов с «квантовой ямой», в которых используется множество очень тонких слоев для изменения свойств солнечных элементов. Ученые разработали солнечный элемент с квантовыми ямами с беспрецедентной производительностью и внедрили его в устройство с тремя переходами с разной шириной запрещенной зоны, где каждый переход настроен на улавливание и использование разных частей солнечного спектра.
Материалы III-V, названные так из-за того, что они попадают в периодическую таблицу, охватывают широкий диапазон энергетических запрещенных зон, что позволяет им нацеливаться на разные части солнечного спектра. Верхний переход выполнен из фосфида галлия-индия (GaInP), средний - из арсенида галлия (GaAs) с квантовыми ямами, а нижний - из арсенида галлия-индия с несогласованной решеткой (GaInAs). Каждый материал был тщательно оптимизирован в течение десятилетий исследований.
«Ключевой элемент заключается в том, что, хотя GaAs является отличным материалом и обычно используется в многопереходных элементах III-V, он не имеет достаточно правильной ширины запрещенной зоны для трехпереходного элемента, а это означает, что баланс фототоков между тремя элементами не является оптимальным. », — комментирует Франс, старший научный сотрудник и дизайнер клеток. «Здесь мы изменили ширину запрещенной зоны, сохранив при этом превосходное качество материала с помощью квантовых ям, что позволяет использовать это устройство и, возможно, другие приложения».
Ученые использовали квантовые ямы в среднем слое, чтобы расширить запрещенную зону ячейки GaAs и увеличить количество света, которое ячейка может поглощать. Важно отметить, что они разработали оптически толстые устройства с квантовыми ямами без значительных потерь напряжения. Они также узнали, как отжигать верхнюю ячейку GaInP в процессе роста, чтобы улучшить ее характеристики, и как минимизировать плотность прорастающих дислокаций в GaInAs с несогласованной решеткой, что обсуждалось в отдельных публикациях. В целом, эти три материала формируют новую конструкцию ячейки.
Ячейки III-V известны своей высокой эффективностью, но процесс производства традиционно был дорогим. До сих пор элементы III-V использовались для питания таких приложений, как космические спутники, беспилотные летательные аппараты и другие нишевые приложения. Исследователи из NREL работают над тем, чтобы резко снизить стоимость производства элементов III-V и предоставить альтернативные конструкции элементов, которые сделают эти элементы экономичными для различных новых применений.
Новая ячейка III-V также была проверена на предмет ее эффективности в космических приложениях, особенно для спутников связи, которые питаются от солнечных батарей и для которых решающее значение имеет высокая эффективность ячейки. измерение жизни. Нынешняя конструкция элемента подходит для сред с низким уровнем излучения, а применение в условиях более высокого уровня излучения может стать возможным благодаря дальнейшему развитию конструкции элемента.
NREL является основной национальной лабораторией Министерства энергетики США по исследованиям и разработкам в области возобновляемых источников энергии и энергоэффективности. NREL управляется для Министерства энергетики Alliance for Sustainable Energy LLC.
