Naukowcy z Krajowego Laboratorium Energii Odnawialnej (NREL) Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych stworzyli ogniwo słoneczne o rekordowej wydajności 39,5% w globalnym oświetleniu jednego słońca. Jest to ogniwo słoneczne o najwyższej wydajności dowolnego typu, mierzone w standardowych warunkach 1-słonecznych.
„Nowa komórka jest bardziej wydajna i ma prostszą konstrukcję, która może być przydatna w różnych nowych zastosowaniach, takich jak aplikacje o dużym ograniczonym obszarze lub aplikacje kosmiczne o niskim promieniowaniu” – powiedział Myles Steiner, starszy naukowiec w NREL High-Efficiency Grupa Crystalline Photovoltaics (PV) i główny wykonawca projektu. Współpracował z kolegami z NREL Ryanem France, Johnem Geiszem, Tao Song, Waldo Olavarrią, Michelle Young i Alanem Kibblerem.
Szczegóły rozwoju zostały opisane w artykule „Trójzłączowe ogniwa słoneczne z 39,5% wydajnością naziemną i 34,2% wydajnością przestrzeni, którą umożliwiają grube supersieci ze studnią kwantową”, który pojawia się w majowym wydaniu czasopisma Joule.
Naukowcy z NREL ustanowili wcześniej rekord w 2020 r. dzięki 39,2% wydajnym sześciozłączowym ogniwom słonecznym wykorzystującym materiały III-V.
Kilka z najlepszych najnowszych ogniw słonecznych zostało opartych na architekturze odwróconego metamorficznego wielozłącza (IMM), wynalezionej w NREL. To nowo ulepszone trójzłączowe ogniwo słoneczne IMM zostało teraz dodane do tabeli Best Research-Cell Efficiency Chart. Wykres, który pokazuje sukces eksperymentalnych ogniw słonecznych, obejmuje poprzedni rekord IMM z trzema złączami, wynoszący 37,9%, ustanowiony w 2013 r. przez Sharp Corporation of Japan.
Poprawa wydajności nastąpiła po badaniach nad ogniwami słonecznymi „studnia kwantowa”, które wykorzystują wiele bardzo cienkich warstw do modyfikowania właściwości ogniw słonecznych. Naukowcy opracowali ogniwo słoneczne ze studnią kwantową o bezprecedensowej wydajności i wdrożyli je w urządzeniu z trzema złączami o różnych pasmach wzbronionych, gdzie każde złącze jest dostrojone, aby uchwycić i wykorzystać inny wycinek widma słonecznego.
Materiały III-V, nazwane tak ze względu na ich miejsce w układzie okresowym, obejmują szeroki zakres przerw energetycznych, które pozwalają im na celowanie w różne części widma słonecznego. Górne złącze składa się z fosforku galu i indu (GaInP), środek z arsenku galu (GaAs) ze studniami kwantowymi, a spód z niedopasowanego do sieci arsenku galu i indu (GaInAs). Każdy materiał został wysoce zoptymalizowany przez dziesięciolecia badań.
„Kluczowym elementem jest to, że chociaż GaAs jest doskonałym materiałem i powszechnie stosowanym w ogniwach wielozłączowych III-V, nie ma całkiem prawidłowej przerwy energetycznej dla ogniwa trójzłączowego, co oznacza, że równowaga fotoprądów między trzema ogniwami nie jest optymalna ”, powiedział Francja, starszy naukowiec i projektant ogniw. „Tutaj zmodyfikowaliśmy przerwę wzbronioną, zachowując doskonałą jakość materiału, wykorzystując studnie kwantowe, co umożliwia to urządzenie i potencjalnie inne zastosowania”.
Naukowcy wykorzystali studnie kwantowe w warstwie środkowej, aby wydłużyć pasmo wzbronione komórki GaAs i zwiększyć ilość światła, które może zaabsorbować komórka. Co ważne, opracowali urządzenia ze studnią kwantową o grubości optycznej bez większych strat napięcia. Dowiedzieli się również, jak wygrzewać górną komórkę GaInP podczas procesu wzrostu, aby poprawić jej wydajność i jak zminimalizować gęstość dyslokacji wątków w GaInA z niedopasowaną siecią, omówioną w oddzielnych publikacjach. W sumie te trzy materiały wpływają na nowatorski projekt ogniwa.
Ogniwa III-V znane są z wysokiej wydajności, ale proces ich wytwarzania był tradycyjnie drogi. Do tej pory ogniwa III-V były wykorzystywane do zasilania takich aplikacji, jak satelity kosmiczne, bezzałogowe statki powietrzne i inne niszowe zastosowania. Naukowcy z NREL pracują nad drastycznym obniżeniem kosztów produkcji ogniw III-V i zapewnieniem alternatywnych projektów ogniw, które sprawią, że ogniwa te będą ekonomiczne w różnych nowych zastosowaniach.
Nowe ogniwo III-V zostało również przetestowane pod kątem wydajności w zastosowaniach kosmicznych, zwłaszcza w przypadku satelitów komunikacyjnych, które są zasilane ogniwami słonecznymi i dla których wysoka wydajność ogniw ma kluczowe znaczenie, i na początku uzyskała wynik 34,2% -pomiar życia. Obecna konstrukcja ogniwa jest odpowiednia dla środowisk o niskim promieniowaniu, a zastosowania o wyższym promieniowaniu mogą być umożliwione przez dalszy rozwój struktury ogniwa.