Ogniwa fotowoltaiczne o rekordowej wydajności. Wszystko dzięki studniom kwantowym

Amerykańscy naukowcy opracowali ogniwa fotowoltaiczne o rekordowej sprawności rzędu 39,5%. To może być krok w stronę jeszcze wydajniejszych elektrowni słonecznych.

Osiągnięcie naukowców z National Renewable Energy Laboratory (NREL) Departamentu Energii USA jest naprawdę godne pochwały. Udało się im opracować ogniwo fotowoltaiczne o najwyższej wydajności, jaką zmierzono w standardowych warunkach oświetlenia.

Myles Steiner z Grupy Wysokowydajnych Krystalicznych Ogniw Fotowoltaicznych (PV) NREL i główny badacz projektu, powiedział:

Nasze ogniwo jest wydajniejsze i ma prostszą konstrukcję, która może być przydatna w wielu nowych zastosowaniach, takich jak aplikacje o bardzo ograniczonej powierzchni lub aplikacje kosmiczne wykorzystujące niskie promieniowanie.

O szczegółach przełomowego ogniwa fotowoltaicznego można przeczytać w czasopiśmie Joule. Nie jest to pierwszy rekord osiągnięty przez naukowców z NREL, bo w 2020 r. udało się im opracować ogniwa o wydajności 39,2%. 

Studnie kwantowe

Nowo opracowane ogniwo fotowoltaiczne jest oparte na architekturze odwróconego metamorficznego ogniwa wielozłączowego (IMM), która została wynaleziona w NREL. Dzięki zastosowaniu nowej technologii, udało się zwiększyć sprawność ogniwa o blisko dwa procent w stosunku do rozwiązań konkurencji (ogniwo opracowane przez firmę Sharp z 2013 r. cechowała wydajność rzędu 37,9%).

Naukowcy z NREL opracowali ogniwo fotowoltaiczne typu studni kwantowej o niespotykanej wydajności i zastosowali je w urządzeniu z trzema złączami o różnych przerwach między pasmami, gdzie każde złącze jest dostrojone do przechwytywania i wykorzystywania innego wycinka widma słonecznego.

Materiały III-V, nazwane tak ze względu na ich położenie w układzie okresowym, obejmują szeroki zakres energetycznych przerw pasmowych, co pozwala na wykorzystanie różnych części widma słonecznego. Górne złącze jest wykonane z fosforku galu i indu (GaInP), środkowe z arsenku galu (GaAs) ze studniami kwantowymi, a dolne z arsenku galu i indu (GaInAs). Każdy z tych materiałów był optymalizowany przez dziesięciolecia badań.

Ryan France z NREL:

Kluczowym elementem jest to, że chociaż GaAs jest doskonałym materiałem i jest powszechnie stosowany w ogniwach wielozadaniowych III-V, nie ma on odpowiedniej przerwy pasmowej dla ogniwa trójzadaniowego, co oznacza, że równowaga fotoprądów pomiędzy trzema ogniwami nie jest optymalna. W tym przypadku udało nam się zmodyfikować przerwę pasmową przy zachowaniu doskonałej jakości materiału dzięki zastosowaniu studni kwantowych, co umożliwia zastosowanie tego urządzenia i potencjalnie innych aplikacji.

Wykorzystano studnie kwantowej w warstwie środkowej do rozszerzenia pasma przenoszenia ogniwa GaAs i zwiększenia ilości absorbowanego światła. Ogniwa III-IV słyną z wysokiej sprawności, ale proces ich produkcji jest kosztowny i złożony. Do tej pory używano ich tylko w niszowych zastosowaniach. Naukowcy z NREL pracują nad znacznym obniżeniem kosztów produkcji tych ogniw oraz stworzeniem funkcjonalnych alternatyw.