Тандемные солнечные ячейки позволят получать больше энергии от солнца

Двухслойные солнечные ячейки

Источник: http://www.scientificamerican.com/article/tandem-solar-cell-may-boost-electricity-from-sunlight/, автор Umair Irfan, 25 марта 2015.

Новые солнечные ячейки на основе комбинации кремния и перовскита позволяют получить больше энергии от солнечного света!

Дуэтом в данном случае выступают кремний, рабочая лошадка обычной фотоэлектрической техники, и минерал под названием перовскит. Впервые открытый в Уральских горах и названный в честь российского минералога Льва Перовского, этот минерал представляет собой кристаллы, образованные титанатом кальция, который имеет свойства, необходимые для изготовления фотоэлектрических устройств.

В обычных солнечных ячейках используется только часть солнечного света, а остальное отражается или тратится на нагрев. Этот присущий таким ячейкам барьер известен как предел Шокли-Квейссера (Shockley-Queisser limit), и для кремниевых ячеек ограничивает эффективность преобразования солнечного света в электричество величиной 33,7 процента (в теории, а на практике предел много меньше). Обусловлено это  тем, что обычные кремниевые солнечные элементы способны превращать в электричество энергию далеко не всех фотонов, а только тех, чья энергия соответствует ширине запрещенной зоны фотоэлектрического материала.

Один из способов преодолеть это ограничение состоит в том, чтобы использовать несколько фотоэлектрических материалов, каждый из которых использует свою часть солнечного спектра. Такие много-переходные солнечные ячейки (multi-junction cells) установили рекорд эффективности, приближающийся к 50 процентам, но технология их производства очень дорогостояща, так что применяются они либо в узких нишах вроде космических аппаратов, либо требуют использования зеркал, концентрирующих солнечный свет на крошечных ячейках.

Перовскит же дешев, почти прозрачен и способен поглощать солнечный свет как в ультрафиолетовом, так и в видимом диапазонах, так что составляет прекрасную пару с кремнием, который поглощает энергию в инфракрасном диапазоне.

«Проблема всегда состояла в том, как получить комбинацию этих двух материалов», говорит Тонио Буонассиси (Tonio Buonassisi), доцент Массачусетского технологического института.

Буонассиси и его коллеги продемонстрировали ячейку, в которой слой перовскита покрывает кремниевую основу, но в которой оба материала функционируют как отдельные ячейки.

Комбинированный подход

В статье, опубликованной на днях в журнале Applied Physics Letters, исследователи представили устройство, которое соединяет два материала, но функционирует как одна монолитная ячейка.

Ячейка имеет размер в 1 квадратный сантиметр и представляет собой слой кремния толщиной 200 микрон, покрытый слоем перовскита толщиной 1 микрон.

Устройство использует эффект квантового туннелирования, когда электронный потенциал может преодолевать барьер, который обычно ограничивает его движение. Когда волна света попадает в перовскит, она порождает электрический заряд, который проходит через слой кремния и попадает в сеть.

«В этом туннельном переходе дырки из слоя кремния рекомбинируются с электронами, выходящими из солнечной ячейки на перовските используя квантовое механическое туннелирование», говорит Джонатан Майлоа (Jonathan Mailoa), соавтор отчета. «Это позволяет нашему устройству работать как монолитная перовскит-кремниевая ячейка.»

Солнечный свет также порождает ток в слое силикона, так что итоговым результатом является ячейка, которая генерирует более высокое напряжение, чем любой из слоев может создать сам по себе. «Напряжение, которое мы получаем с такого тандема, почти равно линейной сумме с двух ячеек, 1,65 вольта», говорит Буонассиси.

Демонстрационная ячейка пока имеет коэффициент преобразования энергии 13,7 процента, но после дальнейшей оптимизации исследователи ожидают поднять эффективность до 25 процентов. Более высокая эффективность означает, что больше электричества будет получено с солнечной ячейки одного и того же размера, что снижает общую стоимость системы.

Тандемные клетки пока что далеко не достигли эффективности, демонстрируемой лучшими многопереходными солнечными ячейками (multi-junction cells). Но исследователи не собираются соревноваться с обычными кремниевыми ячейками в эффективности. Вместо этого они намерены использовать перовскит-кремниевые ячейки в солнечных установках на крышах домов и на солнечных электростанциях, основываясь на более низкой стоимости производства.

«В то время как кремний требует очень высоких температур и очень сложной технологии осаждения, слой перовскита получить очень просто, и в этом его преимущество», говорит Колин Бейли (Colin Bailie), еще один соавтор статьи. «Слой перовскита может быть просто напечатан, подобно тому, как печатаются газеты.»

Но есть еще некоторые инженерные проблемы. Высоко-производительный слой перовскита быстро деградирует, иногда в течение нескольких часов, что плохо для элементов, которые должны служить десятилетиями. Тандемные устройства должны иметь еще один прозрачный слой сверху, который работает как электрод. Этот дополнительный слой уменьшает количество света, проходящего через него.

Для того, чтобы идея нашла свое воплощение, исследователи должны продемонстрировать, что производительность этих ячеек должна компенсировать стоимость добавления слоя перовскита. «На бумаге может казаться, что тут открывается окно возможностей, но история показывает, что на практике потери часто склоняют чаши весов в другую сторону,» говорит Майлоа. «Необходим еще значительный объем инженерных доработок».

Новости альтернативной энергетики кратко

Суммарная мощность вновь установленных солнечных станций в мире в первом квартале 2015 года по данным EnergyTrend превысила 12 Гигаватт. Лидируют в списке Китай, США, Япония и Индия, причем первые 3 из этих стран будут иметь более 60% глобальных мощностей солнечных станций.

Источник: http://pv.energytrend.com/price/20150703-9045.html