Новая солнечная батарея на квантовых ямах установила мировой рекорд эффективности

Ученые продолжают повышать эффективность солнечных батарей, и вот новый рекорд: новый солнечный элемент достиг 39,5-процентной эффективности при стандартных условиях глобального освещения в 1 солнце.

Эта отметка в 1 солнце - просто стандартизированный способ измерения фиксированного количества солнечного света, и почти 40 процентов этого излучения теперь может быть преобразовано в электричество. Предыдущий рекорд для этого типа солнечных батарей составлял 39,2 процента эффективности.

Существует больше типов солнечных батарей, чем вы могли себе представить. Используемый здесь тип - тандемные солнечные батареи с тройным спаем III-V - часто используется в спутниках и космических аппаратах, хотя они имеют большой потенциал и на твердой земле.

"Новая ячейка более эффективна и имеет более простую конструкцию, что может быть полезно для различных новых приложений, таких как приложения с ограниченной площадью или космические приложения с низким уровнем излучения", - говорит физик Майлз Штайнер из Национальной лаборатории возобновляемой энергии (NREL) в Колорадо.

Часть уравнения "тройной переход" важна с точки зрения эффективности солнечного элемента. Каждый спай концентрируется на определенной части солнечного спектра, что означает, что меньше света теряется и остается неиспользованным.

Дальнейшее повышение эффективности было достигнуто благодаря использованию технологий так называемых "квантовых ям". Физика, лежащая в их основе, довольно сложна, но общая идея заключается в том, что материалы тщательно подбираются и оптимизируются, а также делаются как можно более тонкими. Это влияет на зазор, минимальное количество энергии, необходимое для возбуждения электронов и протекания тока.

В данном случае три перехода состоят из фосфида индия галлия (GaInP), арсенида галлия (GaAs) с добавлением некоторых дополнительных квантовых ям и арсенида индия галлия (GaInAs).

"Ключевым элементом является то, что хотя GaAs является отличным материалом и обычно используется в многопереходных элементах III-V, он не имеет правильной полосы пропускания для трехпереходного элемента, что означает, что баланс фототоков между тремя элементами не является оптимальным", - говорит физик Райан Франс из NREL.

"Здесь мы изменили полосу пропускания, сохранив при этом отличное качество материала за счет использования квантовых ям, что позволяет использовать это устройство и потенциально другие приложения".

Некоторые из улучшений, добавленных в эту последнюю ячейку, включают увеличение количества поглощаемого света без соответствующей потери напряжения. Также было сделано несколько других технических усовершенствований для минимизации ограничений.

Это самая высокая эффективность при 1 солнце среди всех когда-либо зарегистрированных элементов солнечных батарей, хотя мы видели и более высокие показатели при более интенсивном солнечном излучении. Хотя технологиям требуется время, чтобы пройти путь от лаборатории до реальных продуктов, потенциальные улучшения не могут не радовать.

Ячейки также показали впечатляющую космическую эффективность в 34,2 процента, чего они должны достичь при использовании на орбите. Их вес и устойчивость к высокоэнергетическим частицам делают их особенно подходящими для этой задачи.

"Поскольку на данный момент это самые высокоэффективные солнечные элементы 1-sun, эти элементы также устанавливают новый стандарт достижимой эффективности для всех фотоэлектрических технологий", - пишут исследователи в опубликованной работе.

Исследование было опубликовано в журнале Joule.