Школа для Электрика. Все Секреты Мастерства. Образовательный сайт по электротехнике  
ElectricalSchool.info - большой образовательный проект на тему электричества и его использования. С помощью нашего сайта вы не только поймете, но и полюбите электротехнику, электронику и автоматику!
Электрические и магнитные явления в природе, науке и технике. Современная электроэнергетика, устройство электрических приборов, аппаратов и установок, промышленное электрооборудование и системы электроснабжения, электрический привод, альтернативные источники энергии и многое другое.
 
Школа для электрика | Правила электробезопасности | Электротехника | Электроника | Провода и кабели | Электрические схемы
Автоматизация | Тренды, актуальные вопросы | Передовые энергетические технологии | Обучение электриков | Контакты



 

База знаний | Избранные статьи | Эксплуатация электрооборудования | Электроснабжение
Электрические аппараты | Электрические машины | Электропривод | Электрическое освещение

 Школа для электрика / Передовые энергетические технологии / Наука, инжиниринг, технологии / Разработан новый солнечный элемент с рекордным КПД 39,5%


 Школа для электрика в Telegram

Разработан новый солнечный элемент с рекордным КПД 39,5%


Идея использовать солнечный свет для производства энергии не нова. Первая современная солнечная батарея была изобретена в 1954 году в Bell Laboratories, американской компании, занимающейся промышленными исследованиями и научными разработками, которая сейчас принадлежит финской компании Nokia.

Солнечные лучи, попадающие на поверхность фотогальванического элемента (PV), могут отражаться, поглощаться или проходить через солнечный элемент. Это возможно благодаря полупроводниковому материалу, из которого состоит ячейка.

Полупроводники могут проводить электричество лучше, чем диэлектрики, но не так хорошо как проводники. Если полупроводник подвергается воздействию света, он поглощает энергию и передает ее отрицательно заряженным электронам. Это позволяет электронам течь через материал в виде электрического тока, который затем передается на сетку через проводящие металлические контакты.

Количество электроэнергии, вырабатываемой фотоэлектрическими элементами, зависит от интенсивности и длины волны доступного света, а также от множества рабочих характеристик элемента.

Важным свойством фотоэлектрических полупроводников является ширина запрещенной зоны, которая указывает, какие длины волн света материал может поглощать и преобразовывать в электрическую энергию. Если ширина запрещенной зоны соответствует длинам волн света, попадающего на фотоэлектрическую ячейку, то ячейка может эффективно использовать всю доступную энергию.

К числу наиболее изученных полупроводниковых материалов относятся полупроводники соединений III-V, которые в настоящее время используются в космических солнечных элементах, солнечных элементах-концентраторах или в термофотоэлектрических генераторах.

Они также подходят для многопереходных солнечных элементов, поскольку допускают различную ширину запрещенной зоны, необходимую для достижения коэффициента полезного действия (КПД) более 30%. Несмотря на то, что элементы III-V известны своей высокой эффективностью, их более широкое применение пока сдерживается дороговизной производственного процесса.

Новый солнечный элемент с рекордным КПД 39,5%

Новый солнечный элемент с рекордным КПД 39,5%

Теперь (2022 г.) ученые из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии Министерства энергетики США (NREL) разработали солнечный элемент, показывающий рекордный КПД 39,5%. Это солнечный элемент с самой высокой эффективностью среди всех типов, измеренный в стандартных условиях.

Их работа основана на более ранних исследованиях, проведенных в 2020 году, в ходе которых они разработали солнечный элемент с эффективностью почти 50%. Этот шестипереходный солнечный элемент установил мировой рекорд по самой высокой эффективности преобразования солнечной энергии на уровне 47,1%, что было измерено при концентрированном освещении.

Каждый из шести узлов ячейки был специально настроен на световые частоты определенной части солнечного спектра. Устройство состояло примерно из 140 слоев различных материалов III-V для поддержки работы этих соединений.

Новый солнечный элемент основан на хорошо известной и тщательно протестированной архитектуре инвертированного метаморфического многоперехода (IMM), изобретенной в NREL. Повышение эффективности было достигнуто за счет тщательного изучения исследований солнечных элементов с квантовыми ямами, где используется множество очень тонких слоев для изменения свойств солнечных элементов.

Ученые вставили улучшенный солнечный элемент в устройство с тремя переходами с разной шириной запрещенной зоны. Чтобы клетки могли реагировать на разные части солнечного спектра, ученые сконструировали их с использованием материалов III-V, таких как арсенид галлия или арсенид алюминия, которые охватывают широкий диапазон энергетических запрещенных зон.

Здесь верхний переход состоял из фосфида галлия-индия (GaInP), средний - из арсенида галлия (GaAs) с квантовыми ямами, а нижний - из арсенида галлия-индия с несогласованной решеткой (GaInAs).

Ученые применили квантовые ямы в среднем слое, чтобы расширить запрещенную зону ячейки GaAs и увеличить количество света, которое может поглощаться ячейкой. Им также удалось разработать очень тонкие устройства с квантовыми ямами без значительных потерь напряжения.

Кроме того, им удалось отжечь верхнюю ячейку GaInP в процессе роста, чтобы улучшить ее характеристики, тем самым минимизировав плотность прорастающих дислокаций в GaInAs с несогласованной решеткой.

Коэффициент полезного действия новой ячейки III-V также был проверен для космических приложений, особенно для спутников связи, обычно питаемых солнечными батареями, и составил 34,2% для измерения в начале срока службы. Было обнаружено, что нынешняя конструкция ячейки подходит для условий с низким уровнем радиации. Применение более высоких излучений может стать возможным благодаря дальнейшему развитию клеточной структуры.

Ученые давно стремились повысить эффективность солнечных батарей III-V. В 2018 году ученые показали, что в устройствах солнечных элементов с несколькими квантовыми ямами, состоящих из арсенида галлия с висмутом (GaAsBi).

Захват дырок при освещении был ответственен за уменьшенную ширину истощения, изолирующую область в проводящем легированном полупроводниковом материале, где подвижные носители заряда рассеиваются или вытесняются электрическим полем.

Моделирование энергий квантового ограничения в этих устройствах продемонстрировало, как времена выхода носителей изменяются в зависимости от температуры, предоставив инструмент для разработки будущих фотоэлектрических устройств на основе GaAsBi.

Температурная зависимость предполагаемого перехода в основное состояние

Температурная зависимость предполагаемого перехода в основное состояние (красные точки), а также кривая Варшни, подогнанная к данным в диапазоне 100–300 К (пунктирная линия)

В 2021 голу ученые разработали солнечные элементы на основе GaAs с согласованной решеткой, особенно с использованием материалов AlGaInP, AlGaAs и GaInNAsSb, с целью достижения широкого спектрального охвата, охватывающего 0,7–2,2 эВ.

Чтобы еще больше повысить КПД до 50%, они протестировали субэлементы AlGaInP (>2 эВ) и GaInNAsSb (<0,8 эВ). Было доказано, что ячейки AlGaInP с составом 0,1 Al демонстрируют условия согласования по току, когда они встроены в архитектуру с пятью переходами вместе с двумя нижними переходами GaInNAsSb и верхним переходом AlGaAs.

Кроме того, согласование тока, необходимое для тандемной архитектуры с шестью переходами, было достигнуто для состава Al 0,26. Результаты исследования показали, что изготовление согласованных по решетке солнечных элементов с более чем четырьмя переходами было реалистичной задачей.

Схематическая структура солнечного элемента LM 4J

Схематическая структура солнечного элемента LM 4J

Новая ячейка, построенная в NREL, имеет много потенциальных преимуществ: она более эффективна и имеет более простую конструкцию, которая может подходить для множества новых приложений, таких как приложения с очень ограниченной площадью или космические приложения с низким уровнем излучения.

Однако, хотя арсенид галлия обычно используется в многопереходных элементах III-V, он не имеет правильной ширины запрещенной зоны для трехпереходного элемента, что приводит к несбалансированным фототокам между тремя элементами. Поэтому ширина запрещенной зоны была изменена с помощью квантовых ям. Таким образом, было сохранено превосходное качество материала.

Другая цель исследования заключалась в том, чтобы резко снизить стоимость производства элементов III-V путем предоставления альтернативных конструкций элементов, которые сделают эти элементы экономичными для различных новых применений.

Текущее исследование может открыть двери для широкого применения солнечных элементов III-V, если ученым действительно удастся снизить производственные затраты, а также сделать их доступными для более широкого круга приложений. Перспективы достижения этой цели очень многообещающие.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика