Сотрудничество между исследователями из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии Министерства энергетики США (NREL), Швейцарского центра электроники и микротехнологий (CSEM) и Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) показывает высокий потенциал кремния. на основе многопереходных солнечных элементов.
Исследовательские группы создали тандемные солнечные элементы с рекордной эффективностью преобразования солнечного света в электричество при освещении в 1 солнце. В результате появилась статья «Повышение эффективности преобразования солнечных элементов III-V/Si в одно солнце до 32.8% для Two Junctions и 35,9% для Three Junctions», - говорится в новом выпуске Nature Energy. Солнечные элементы, изготовленные исключительно из материалов групп III и V Периодической таблицы, показали высокую эффективность, но стоят дороже.
Стефани Эссиг, бывший постдокторский исследователь NREL, ныне работающая в EPFL в Швейцарии, является ведущим автором недавно опубликованного исследования, в котором подробно описаны шаги, предпринятые для повышения эффективности многопереходной ячейки. Работая в NREL, Эссиг стал соавтором статьи «Реализация солнечных элементов с двойным переходом GaInP/Si с эффективностью 1 Солнца 29,8%», которая была опубликована в IEEE Journal of Photovoltaics год назад.
В дополнение к Эссигу авторами новой исследовательской работы являются Тимоти Ремо, Джон Ф. Гейз, Майлз А. Штайнер, Дэвид Л. Янг, Келси Горовиц, Майкл Вудхаус и Адель Тамболи, все с NREL; и Christophe Allebe, Loris Barraud, Antoine Descoudres, Matthieu Despeisse и Christophe Ballif, все из CSEM.
«Это достижение имеет важное значение, поскольку оно впервые показывает, что тандемные элементы на основе кремния могут обеспечить эффективность, конкурирующую с более дорогими многопереходными элементами, полностью состоящими из материалов III-V», - сказал Тамболи. «Это открывает двери для разработки совершенно новых материалов и архитектур многопереходных солнечных элементов».
При тестировании многопереходных солнечных элементов на основе кремния исследователи обнаружили, что наибольшая эффективность двойного перехода (32,8%) достигается у тандемного элемента, в котором слой арсенида галлия (GaAs), разработанный NREL, помещается поверх пленки из кристаллический кремний, разработанный CSEM. Эффективность 32,5% была достигнута с использованием верхней ячейки из фосфида галлия-индия (GaInP), структура которой аналогична предыдущему рекорду эффективности в 29,8%, объявленному в январе 2016 года. Третья ячейка, состоящая из тандемной ячейки GaInP/GaAs, сложенной ячейка с кремниевым дном достигла эффективности тройного перехода 35,9%, что всего на 2% ниже общего рекорда тройного перехода.
На существующем рынке фотогальваники преобладают модули, изготовленные из кремниевых солнечных элементов с одним переходом, с эффективностью от 17% до 24%. Исследователи отметили в отчете, что переход от кремниевых однопереходных элементов к двухпереходным солнечным элементам на основе кремния позволит производителям повысить эффективность более чем на 30%, сохраняя при этом свой опыт в производстве кремниевых солнечных элементов.
Препятствием для принятия этих многопереходных кремниевых солнечных элементов, по крайней мере, в ближайшей перспективе, является стоимость. Предполагая эффективность 30%, исследователи подсчитали, что ячейка на основе GaInP будет стоить 4,85 доллара за ватт, а ячейка на основе GaAs - 7,15 доллара за ватт. Но по мере роста производства и повышения эффективности этих типов элементов до 35%, исследователи прогнозируют, что стоимость ватта может упасть до 66 центов для элемента на основе GaInP и до 85 центов для элемента на основе GaAs. Ученые отметили, что такое резкое падение цен не является беспрецедентным; например, стоимость фотоэлектрических модулей китайского производства упала с 4 долларов.от 50 долларов за ватт в 2006 году до 1 доллара за ватт в 2011 году.
Стоимость солнечного модуля в США составляет от 20% до 40% цены фотоэлектрической системы. Исследователи подсчитали, что повышение эффективности ячейки до 35% может снизить стоимость системы на целых 45 центов за ватт для коммерческих установок. Однако, если стоимость элемента III-V не может быть снижена до уровней, предусмотренных исследователями в долгосрочном сценарии, то потребуется использование более дешевых высокоэффективных материалов для верхнего элемента, чтобы сделать их конкурентоспособными по стоимости. общие рынки электроэнергии.