Сегодня нет более дешевого способа генерировать электроэнергию, чем с помощью солнца. В настоящее время в солнечных местах строятся электростанции, которые будут поставлять солнечную электроэнергию менее чем за два цента за киловатт-час. Доступные на рынке солнечные элементы на основе кристаллического кремния делают это возможным с эффективностью до 23 процентов. Таким образом, их доля на мировом рынке составляет около 95 процентов. При еще более высокой эффективности, превышающей 26 процентов, затраты могут снизиться еще больше. Международная рабочая группа, возглавляемая исследователями фотогальваники из Forschungszentrum Jülich, теперь планирует достичь этой цели с помощью наноструктурированного прозрачного материала для передней части солнечных элементов и сложной конструкции. Об успехах своих многолетних исследований ученые сообщают в научном журнале Nature Energy.
Кремниевые солнечные элементы неуклонно совершенствуются на протяжении последних десятилетий и уже достигли очень высокого уровня развития. Однако возмущающий эффект рекомбинации все еще имеет место после поглощения солнечного света и фотоэлектрической генерации носителей электрического заряда. В этом процессе отрицательные и положительные носители заряда, которые уже были сгенерированы, объединяются и компенсируют друг друга, прежде чем их можно будет использовать для потока солнечного электричества. Этому эффекту можно противопоставить специальные материалы, обладающие особым свойством - пассивацией.
«Наши наноструктурированные слои обеспечивают именно эту желаемую пассивацию», - говорит Мальте Келер, бывший аспирант и первый автор из Юлихского института исследований энергетики и климата (IEK-5), который с тех пор получил докторскую степень. Кроме того, сверхтонкие слои прозрачны, так что падение света почти не уменьшается, и обладают высокой электропроводностью.
«Ни один другой подход пока не сочетает в себе эти три свойства - пассивацию, прозрачность, проводимость - так же хорошо, как наш новый дизайн», - говорит д-р Кайнинг Динг, руководитель рабочей группы в Юлихе. Первый прототип солнечного элемента Jülich TPC достиг высокой эффективности в 23,99% (+- 0,29%) в лаборатории. Это значение также было подтверждено независимой лабораторией CalTeC Института исследований солнечной энергии в Гамлене (ISFH). Это означает, что солнечный элемент Jülich TPC по-прежнему стоит немного ниже лучших кристаллических кремниевых элементов, изготовленных в лабораториях на сегодняшний день. Но параллельное моделирование показало, что с технологией TPC возможна эффективность более 26 процентов.
«Кроме того, мы использовали в производстве только те процессы, которые можно относительно быстро интегрировать в серийное производство», - подчеркивает Дин, преимущество перед другими исследовательскими подходами. С помощью этой стратегии ученые из Юлиха проложили путь от лаборатории до крупномасштабного промышленного производства солнечных элементов без особых усилий.
Для производства слоев солнечного элемента TPC потребовалось несколько технологических операций. На тонкий слой диоксида кремния исследователи нанесли двойной слой крошечных пирамидальных нанокристаллов карбида кремния при двух разных температурах. Наконец, последовал прозрачный слой оксида индия и олова. Дин и его коллеги использовали влажные химические процессы, химическое осаждение из паровой фазы (CVD) и процесс распыления.
Для достижения успеха юлихские исследователи из IEK 5 и Центра электронной микроскопии Юлиха Эрнста Руска тесно сотрудничали с несколькими институтами в Нидерландах, Китае, России и Эквадоре. В число партнеров входят исследователи из RWTH Ахенского университета, Университета Дуйсбург-Эссен, Технических университетов Делфта и Эйндховена, Университета Сан-Франциско-де-Кито, Университета и Института теплофизики имени Кутателадзе в Новосибирске и Университета Сунь Ятсена в Гуанчжоу. В дальнейших шагах исследовательская группа Kaining Ding планирует оптимизировать выходную мощность своих солнечных элементов TPC.«Мы ожидаем, что производители солнечных батарей проявят большой интерес к нашей технологии», - говорит Дин.