Будущее солнечной энергетики становится все ярче. Исследователи из Калифорнийского университета в Боулдере создали недорогой солнечный элемент с одной из самых высоких на сегодняшний день эффективностью преобразования энергии путем наслоения ячеек и использования уникальной комбинации элементов.
"Мы взяли продукт, приносящий 30 миллиардов долларов в год, и сделали его на 30% лучше", - сказал Майкл МакГихи, профессор кафедры химической и биологической инженерии и соавтор статьи. завтра будет опубликовано в журнале Science, в котором описывается технология."Это большое дело."
Исследователи взяли перовскитовый солнечный элемент, кристаллическую структуру, предназначенную для сбора фотонов с более высокой энергией, и поместили его поверх кремниевого солнечного элемента, который улавливает больше фотонов в инфракрасной части спектра. из лучистой энергии, которую мы не можем видеть, но можем ощущать как тепло. В совокупности перовскит повышает КПД солнечного элемента, состоящего из 21 % кремния, до 27 %, что увеличивает его на треть.
В течение многих лет кремниевые солнечные элементы были стандартом в солнечной энергетике. Но современные элементы на основе кремния преобразуют в среднем только от 18% до 21% солнечной энергии в полезную электроэнергию, а их максимальный показатель составляет около 26,6%.
Это означает, что теперь установка элементов обходится дороже, чем их покупка, сказал МакГи, научный сотрудник Института возобновляемых и устойчивых источников энергии.
Средняя эффективность солнечных панелей ниже максимальной эффективности, потому что независимо от того, насколько хороша индивидуальная, маленькая солнечная батарея, она потеряет около трех процентных пунктов при нанесении на большую панель - вроде как спортивный команда настолько хороша, насколько хорош ее средний игрок. Но если вы можете повысить общую эффективность, вам не нужно устанавливать столько панелей, чтобы получить такое же количество энергии.
Что значительно повышает эффективность, так это размещение еще одного солнечного элемента поверх существующего - именно это и сделали МакГихи и его коллеги-исследователи.
Доступная секретная формула
Это не первый случай, когда исследователи используют многослойные солнечные элементы для повышения эффективности. Концепция, также известная как тандемные или многопереходные солнечные элементы, была впервые представлена в 1970-х годах, и мировой рекорд эффективности солнечных элементов уже превышает 45%. Однако это стоило дорого: 80 000 долларов за квадратный метр из-за того, что клетки выращивались по одному атомному слою за раз, создавая один большой монокристалл. Вероятно, это не та сумма, которую может себе позволить средний домовладелец или бизнес.
МакГихи и его коллеги-исследователи являются пионерами нового направления многослойных солнечных элементов с использованием перовскитов, которые стоят более чем в сто раз дешевле.
Они начали менее 10 лет назад с концепции использования менее дорогих материалов поверх кремния, и сначала достигли только около 13% эффективности. Но благодаря технологическим усовершенствованиям они смогли более чем удвоить это число.
Их секретная формула включает в себя уникальный сплав тройного галогенида хлора, брома и йода.
В солнечных элементах существует идеальная ширина запрещенной зоны, согласно МакГихи. Это пространство между энергетическими уровнями в полупроводнике, между которыми прыгают электроны и создают электрическую энергию.
Бром может увеличить эту запрещенную зону, но при использовании с йодом и на свету эти элементы не всегда остаются на месте. В предыдущих исследованиях пытались использовать хлор и йод вместе, но из-за разного размера частиц этих элементов в кристаллическую структуру перовскита не помещалось достаточное количество хлора. Но, используя разное количество хлора, брома и йода, исследователи нашли способ уменьшить кристаллическую структуру, позволяя вместить больше хлора, стабилизируя и повышая эффективность клетки.
Перовскиты также недороги, не требуют больших затрат энергии и их легко создать в лаборатории. И даже после 1000 часов или почти 42 дней интенсивных световых и тепловых испытаний эти новые солнечные элементы показали минимальное изменение своей начальной эффективности.
С учетом того, что рынок солнечной энергии растет примерно на 30% в год, эффективность, стоимость и долговечность являются основными факторами, по которым новые технологии станут основными.
McGehee с оптимизмом смотрит на потенциал этого широкозонного многослойного перовскитового солнечного элемента.
Мало того, что теперь он превзошел максимальную эффективность кремниевых солнечных элементов, «мы считаем, что он может обеспечить нам эффективность более 30% и что он может быть стабильным», - сказал МакГихи.
Дополнительными авторами этого исследования являются Цзисянь Сюй, соавтор и научный сотрудник с докторской степенью, Джереми Вернер, научный сотрудник с докторской степенью, и Дэниел Виттер, аспирант кафедры химической и биологической инженерии Университета Колорадо в Боулдере; Калеб Бойд, соавтор, посетитель Университета Колорадо в Боулдере и NREL, а также аспирант Стэнфордского университета; а также исследователи из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии, Стэнфордского университета и Университета штата Аризона.