Солнечные или фотоэлектрические (PV) элементы, которые преобразуют солнечный свет в электрическую энергию, играют большую роль в увеличении производства солнечной энергии во всем мире, но исследователи все еще сталкиваются с ограничениями при расширении масштабов этой технологии. Например, разработка солнечных элементов с очень высоким КПД, которые могут преобразовывать значительное количество солнечного света в полезную электрическую энергию при очень низких затратах, остается серьезной проблемой.
Команда исследователей из Массачусетского технологического института и Института науки и технологий Масдара, возможно, нашла способ обойти этот, казалось бы, неразрешимый компромисс между эффективностью и стоимостью. Команда разработала новый солнечный элемент, который сочетает в себе два разных слоя материала, поглощающего солнечный свет, для сбора солнечной энергии в более широком диапазоне.
Исследователи называют устройство «ступенчатой ячейкой», потому что два слоя расположены ступенчато, причем нижний слой выступает под верхним слоем, чтобы подвергать оба слоя падающему солнечному свету. Такие многослойные или «многопереходные» солнечные элементы обычно дороги в производстве, но исследователи также использовали новый недорогой производственный процесс для своих ступенчатых элементов.
Разработанная командой концепция ступенчатой ячейки может достичь теоретической эффективности выше 40 процентов и оценочной практической эффективности в 35 процентов, что побудило главных исследователей команды — Аммара Найфе из Института Масдара, доцента электротехники и информатики, и Юджина Фицджеральда из Массачусетского технологического института, исследователя Мертона С. Профессор кафедры материаловедения и инженерии Flemings-SMA — разработать новую компанию для коммерциализации многообещающего солнечного элемента.
Фитцджеральд, который запустил несколько стартапов, в том числе AmberWave Systems Corporation, Paradigm Research LLC и 4Power LLC, считает, что ступенчатые ячейки могут быть готовы для рынка фотоэлектрических систем в течение ближайшего года или двух.
Команда представила свою первоначальную экспериментальную ступенчатую ячейку в июне на 43-й конференции IEEE Photovoltaic Specialists Conference в Портленде, штат Орегон. Исследователи также сообщили о своих выводах на 40-й и 42-й ежегодных конференциях, а также в журнале прикладной физики и журнале IEEE Journal of Photovoltaics.
Помимо кремния
Традиционные кремниевые кристаллические солнечные элементы, которые более десяти лет рекламировались как золотой стандарт отрасли с точки зрения эффективности, относительно дешевы в производстве, но они не очень эффективны при преобразовании солнечного света в электричество. В среднем солнечные панели, изготовленные из солнечных элементов на основе кремния, преобразуют от 15 до 20 процентов солнечной энергии в полезную электроэнергию.
Низкая эффективность преобразования солнечного света в электрическую энергию кремния частично обусловлена свойством, известным как запрещенная зона, которая не позволяет полупроводнику эффективно преобразовывать фотоны с более высокой энергией, например, те, которые излучаются синими, зелеными и желтыми световыми волнами, в электрическую энергию. Вместо этого только фотоны с более низкой энергией, например, излучаемые более длинными волнами красного света, эффективно преобразуются в электричество.
Чтобы использовать больше фотонов высокой энергии Солнца, ученые исследовали различные полупроводниковые материалы, такие как арсенид галлия и фосфид галлия. Хотя эти полупроводники достигли более высокого КПД, чем кремний, солнечные элементы с наивысшей эффективностью были получены путем наложения слоев различных полупроводниковых материалов друг на друга и их тонкой настройки, чтобы каждый мог поглощать разные части электромагнитного спектра.
Эти слоистые солнечные элементы могут достигать теоретической эффективности более 50 процентов, но из-за очень высоких производственных затрат они используются в нишевых приложениях, например, на спутниках, где высокие затраты менее важны, чем низкий вес и высокая эффективность.
Ступенчатую ячейку Института Масдара-Массачусетского технологического института, напротив, можно изготавливать за небольшую часть стоимости, поскольку ключевой компонент изготавливается на подложке, которую можно использовать повторно. Таким образом, устройство может способствовать расширению коммерческого применения высокоэффективных многопереходных солнечных элементов на промышленном уровне.
Шаги к успеху
Ступенчатый элемент сделан путем наслоения солнечного элемента на основе фосфида арсенида галлия, состоящего из полупроводникового материала, который поглощает и эффективно преобразует фотоны более высокой энергии, на недорогой кремниевый солнечный элемент.
Слой кремния обнажен, выглядит как нижняя ступенька.
Эта преднамеренная ступенчатая конструкция позволяет верхнему слою фосфида арсенида галлия (GaAsP) поглощать фотоны высокой энергии (из синего, зеленого и желтого света), оставляя нижний слой кремния свободным для поглощения фотонов с более низкой энергией (из красного света) не только передается через верхние слои, но также и из всего видимого светового спектра.
«Мы поняли, что, когда верхний слой фосфида арсенида галлия полностью покрывал нижний слой кремния, фотоны с более низкой энергией поглощались кремнием-германием — подложкой, на которой выращивается фосфид арсенида галлия — и, таким образом, солнечный элемент имел гораздо более низкая эффективность ", — объясняет Сабина Абдул Хади, аспирантка Института Масдар, чья докторская диссертация послужила основополагающим исследованием для ступенчатой ячейки. «Удалив верхний слой и обнажив часть кремниевого слоя, мы смогли значительно повысить эффективность."
Работая под руководством Найфе, Абдул Хади провел моделирование на основе экспериментальных результатов, чтобы определить оптимальные уровни и геометрическую конфигурацию слоя GaAsP на кремнии для достижения максимальной эффективности.
Ее выводы привели к первому доказательству концепции солнечной батареи. Абдул Хади продолжит поддерживать технологическое развитие ступенчатой ячейки в качестве постдокторского исследователя в Институте Масдар.
На стороне MIT команда разработала GaAsP, что они сделали путем выращивания полупроводникового сплава на подложке из кремний-германия (SiGe).
«Фосфид арсенида галлия нельзя выращивать непосредственно на кремнии, поскольку его кристаллическая решетка значительно отличается от кристаллической решетки кремния, поэтому кристаллы кремния разрушаются.
Вот почему мы вырастили фосфид арсенида галлия на кремниевом германии — он обеспечивает более стабильную основу », — объясняет Найф.
Проблема с кремниевым германием под слоем GaAsP заключается в том, что SiGe поглощает световые волны с меньшей энергией до того, как достигнет нижнего слоя кремния, и SiGe не преобразует эти световые волны с низкой энергией в ток.
«Чтобы обойти оптическую проблему, создаваемую кремнием-германием, мы разработали идею ступенчатой ячейки, которая позволяет нам использовать различные полосы поглощения энергии фосфата арсенида галлия и кремния», — говорит Найф.
Концепция ступенчатой ячейки привела к усовершенствованной ячейке, в которой шаблон SiGe удаляется и используется повторно, создавая солнечную ячейку, в которой ячейки ячейки GaAsP находятся непосредственно поверх кремниевой ячейки. Ступенчатая ячейка позволяет повторно использовать SiGe, поскольку плитки ячеек GaAsP могут быть подрезаны во время процесса переноса.
Объясняя будущий недорогой производственный процесс, Фитцджеральд говорит: «Мы вырастили фосфид арсенида галлия поверх кремниевого германия, сформировали его в оптимизированной геометрической конфигурации и прикрепили к кремниевой ячейке. Затем мы протравили узорчатые каналы и сняли кремний-германиевые сплавы на кремнии.
То, что остается, — это высокоэффективный тандемный солнечный элемент и кремниево-германиевый шаблон, готовые к повторному использованию."
Поскольку тандемный элемент соединен вместе, а не создается как монолитный солнечный элемент (где все слои выращиваются на одной подложке), SiGe может быть удален и повторно использован повторно, что значительно снижает производственные затраты.
«Добавление этого одного слоя фосфида арсенида галлия может действительно повысить эффективность солнечного элемента, но из-за уникальной способности вытравливать кремниевый германий и повторно использовать его стоимость остается низкой, потому что вы можете окупить эту стоимость кремний-германия в течение всего курса. производства многих ячеек ", — добавляет Фитцджеральд.
Заполнение рыночного разрыва
Фитцджеральд считает, что ступенчатая ячейка хорошо вписывается в существующий пробел на рынке солнечных фотоэлектрических систем, между сверхвысоким и низкоэффективным промышленными приложениями. И по мере увеличения объема в этом рыночном разрыве производственные затраты должны со временем снизиться еще больше.
Этот проект начался как один из девяти флагманских исследовательских проектов Института Масдар и Массачусетского технологического института, которые представляют собой проекты с высоким потенциалом, в которых участвуют преподаватели и студенты обоих университетов. Совместная программа Массачусетского технологического института и Института Масдар помогла запустить Институт Масдар в 2007 году.
Сотрудничество в области исследований между двумя институтами направлено на решение глобальных проблем энергетики и устойчивого развития, а также на развитие потенциала исследований и разработок в Абу-Даби.
«Этот исследовательский проект подчеркивает ценную роль, которую исследования и международное сотрудничество играют в разработке коммерчески значимых технологических инноваций, и является прекрасной демонстрацией того, как исследовательская идея может превратиться в предпринимательскую реальность», — говорит Найф.