Исследователи из Лаборатории фотовольтаики и тонкопленочной электроники (PV-Lab) Инженерной школы Федеральной политехнической школы Лозанны и Центра исследований в области солнечной энергетики и фотовольтаики разработали новый солнечный элемент, который сочетает в себе исключительное напряжение, высокую эффективность и возможность масштабируемого производства.
Устройство с тройным переходом состоит из кремниевого нижнего элемента, на который в виде тонких пленок нанесены средний и верхний элементы из полупроводников, называемых перовскитами. Согласно статье, опубликованной в Nature, новое устройство имеет независимо подтвержденный КПД 30,02 %, что превосходит предыдущий подтвержденный рекорд в 27,1 %.
По словам первого автора исследования Керема Артука, это достижение демонстрирует, что современные материалы и оптическая инженерия могут обеспечить эффективность и напряжение, сравнимые с солнечными батареями, используемыми в космической отрасли, но при этом потенциально в разы дешевле.
«Мы показали, что при грамотном проектировании и обработке можно достичь уровня производительности, который традиционно характерен для самых дорогих многопереходных солнечных элементов, используемых в космосе и состоящих из нескольких полупроводниковых слоев. Их эффективность может достигать 37 %, а стоимость — примерно в 1000 раз превышать стоимость наземных элементов в пересчете на ватт. Наш подход открывает путь к новому поколению промышленно жизнеспособных высокоэффективных многопереходных фотоэлектрических элементов. »
«Наша первая демонстрация в 2018 году показала эффективность всего в 13 %, поэтому достижение эффективности более 30 % в устройстве с тройным переходом — выдающееся достижение, — добавляет руководитель PV-Lab Кристоф Баллиф. — Солнечные элементы с тройным переходом обладают еще более высоким потенциалом эффективности по сравнению с однопереходными и тандемными — значительно выше 40 %».
Исследователи устранили два недостатка солнечных элементов с тройным переходом: низкое напряжение в верхнем перовскитном элементе и низкий ток в среднем элементе. Эти проблемы были решены с помощью трех новых усовершенствований в материале и оптической конструкции устройства.
Во-первых, они добавили молекулу, которая направляет формирование кристаллов перовскита и устраняет дефекты, позволяя верхней ячейке создавать более высокое напряжение (1,4 В) под воздействием солнечного света. Во-вторых, они разработали новый трехэтапный метод изготовления средней ячейки, который улучшает поглощение света в ближней инфракрасной части солнечного спектра. Наконец, они добавили наночастицы между нижней кремниевой ячейкой и средней ячейкой из перовскита, которые отражают дополнительный солнечный свет обратно в среднюю ячейку, еще больше увеличивая силу тока.
И перовскиты, и кремний дешевле в производстве, чем самые эффективные на сегодняшний день полупроводниковые солнечные элементы на основе соединений III и V групп, которые изготавливаются из дорогих материалов и в основном используются для питания спутников. Разработка солнечных элементов, способных достичь такого же уровня эффективности при гораздо меньшей стоимости, может способствовать созданию солнечных технологий следующего поколения для использования в коммунальных и жилых целях, а также в космической отрасли.