"Новый элемент более эффективен и имеет более простую конструкцию, которая может быть полезна для множества новых применений, таких как приложения с высокой площадью или космические приложения с низким уровнем радиации", - сказал Майлз Штайнер, старший научный сотрудник группы высокоэффективной кристаллической фотоэлектрики (PV) NREL и главный исследователь. о проекте. Он работал вместе с коллегами из NREL Райаном Франсом, Джоном Гейсом, Тао Сонгом, Уолдо Олаваррией, Мишель Янг и Аланом Кибблером.

Подробности разработки изложены в статье "Солнечные элементы с тройным переходом с эффективностью 39,5% на земле и 34,2% в космосе, обеспечиваемой сверхрешетками с толстыми квантовыми ямами", которая появляется в майском номере журнала Джоуль.

Ранее ученые NREL установили рекорд в 2020 году, создав шестипереходный солнечный элемент с эффективностью 39,2% с использованием материалов III-V.

Несколько лучших солнечных элементов последнего времени были основаны на архитектуре inverted metamorphic multipunction (IMM), которая была изобретена в NREL. Этот недавно усовершенствованный солнечный элемент IMM с тройным переходом теперь добавлен в таблицу эффективности лучших исследовательских элементов. Диаграмма, которая показывает успех экспериментальных солнечных элементов, включает предыдущий рекорд IMM с тремя переходами в 37,9%, установленный в 2013 году японской корпорацией Sharp.

Повышение эффективности последовало за исследованиями солнечных элементов с "квантовыми ямами", в которых используется множество очень тонких слоев для изменения свойств солнечных элементов. Ученые разработали солнечный элемент с квантовой ямой с беспрецедентной производительностью и внедрили его в устройство с тремя переходами с различными полосами пропускания, где каждый переход настроен на захват и использование другого участка солнечного спектра.

Материалы III-V, названные так из-за того, где они находятся в периодической таблице, охватывают широкий диапазон запрещенных зон энергии, что позволяет им воздействовать на различные части солнечного спектра. Верхнее соединение выполнено из фосфида индия галлия (GaInP), середина - из арсенида галлия (GaAs) с квантовыми ямами, а дно - из арсенида индия галлия с несоответствующей решеткой (GaInAs). Каждый материал был высоко оптимизирован на протяжении десятилетий исследований.

"Ключевым элементом является то, что, хотя GaAs является отличным материалом и обычно используется в многопереходных элементах III-V, у него не совсем правильная ширина запрещенной зоны для трехпереходного элемента, а это означает, что баланс фототоков между тремя элементами не является оптимальным", - сказал Франс, старший научный сотрудник и разработчик элементов. "Здесь мы изменили запрещенную зону, сохранив при этом превосходное качество материала, используя квантовые ямы, что позволяет использовать это устройство и, возможно, другие приложения".

Ученые использовали квантовые ямы в среднем слое, чтобы расширить запрещенную зону GaAs-ячейки и увеличить количество света, которое клетка может поглощать. Важно отметить, что они разработали устройства с оптически толстыми квантовыми ямами без значительных потерь напряжения. Они также узнали, как отжигать верхнюю ячейку GaInP во время процесса роста, чтобы улучшить ее производительность, и как свести к минимуму плотность дислокаций резьбы в несогласованных по решетке GaInAs, обсуждаемых в отдельных публикациях. В совокупности эти три материала легли в основу нового дизайна ячейки.

Ячейки III-V известны своей высокой эффективностью, но процесс изготовления традиционно был дорогостоящим. До сих пор элементы III-V использовались для питания таких приложений, как космические спутники, беспилотные летательные аппараты и другие нишевые приложения. Исследователи из NREL работают над резким снижением стоимости изготовления элементов III-V и созданием альтернативных конструкций элементов, которые сделают эти элементы экономичными для множества новых применений.

Новый элемент III-V также был протестирован на предмет его эффективности в космических приложениях, особенно для спутников связи, которые питаются от солнечных элементов и для которых высокая эффективность элементов имеет решающее значение, и составил 34,2% для измерения в начале срока службы. Существующая конструкция ячейки подходит для сред с низким уровнем радиации, а применение с более высоким уровнем радиации может быть обеспечено путем дальнейшего совершенствования структуры ячейки.