Исследовательские группы создали тандемные солнечные элементы с рекордной эффективностью преобразования солнечного света в электричество при освещении одним солнцем. Итоговая статья «Повышение эффективности преобразования одного солнца для солнечных элементов III-V / Si до 32,8% для двух переходов и 35,9% для трех переходов» появляется в новом выпуске журнала Nature Energy. Солнечные элементы, изготовленные исключительно из материалов групп III и V Периодической таблицы, показали высокую эффективность, но они более дороги.Стефани Эссиг, бывший научный сотрудник NREL, которая сейчас работает в EPFL в Швейцарии, является ведущим автором недавно опубликованного исследования, в котором подробно описаны шаги, предпринятые для повышения эффективности многопереходной ячейки.
Находясь в NREL, Эссиг был соавтором книги «Реализация солнечных элементов с двойным переходом на основе GaInP / Si с эффективностью 1 Солнце 29,8%», которая была опубликована в журнале IEEE Journal of Photovoltaics год назад.Помимо Эссига, авторами новой исследовательской статьи являются Тимоти Ремо, Джон Ф. Гейз, Майлс А. Штайнер, Дэвид Л. Янг, Келси Хоровиц, Майкл Вудхаус и Адель Тамболи, все из NREL; и Кристоф Аллебе, Лорис Барро, Антуан Дескёдр, Матье Деспейсс и Кристоф Баллиф, все из CSEM.
«Это достижение важно, потому что оно впервые показывает, что тандемные ячейки на основе кремния могут обеспечивать эффективность, конкурирующую с более дорогими многопереходными ячейками, 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 самая высокая эффективность двойного перехода (32,8%) была получена у тандемного элемента, в котором слой арсенида галлия (GaAs), разработанный NREL, находился поверх пленки кристаллического кремния, разработанной CSEM. . Эффективность 32,5% была достигнута с использованием верхней ячейки из фосфида галлия-индия (GaInP), структура которой аналогична предыдущей рекордной эффективности 29,8%, объявленной в январе 2016 года.
Третья ячейка, состоящая из тандемной ячейки GaInP / GaAs, установленной на Ячейка с кремниевым дном достигла КПД тройного перехода 35,9% — всего на 2% ниже общего рекорда для тройного перехода.На существующем рынке фотоэлектрической энергии преобладают модули, изготовленные из однопереходных кремниевых солнечных элементов с эффективностью от 17% до 24%. В отчете исследователи отметили, что переход от кремниевого элемента с одним переходом к солнечному элементу с двойным переходом на основе кремния позволит производителям повысить эффективность выше 30%, при этом сохраняя при этом пользу от своего опыта в производстве кремниевых солнечных элементов.Препятствием к внедрению этих многопереходных кремниевых солнечных элементов, по крайней мере в ближайшем будущем, является их стоимость.
Предполагая эффективность 30%, исследователи подсчитали, что ячейка на основе GaInP будет стоить 4,85 долларов за ватт, а ячейка на основе GaAs будет стоить 7,15 долларов за ватт. Но по мере роста производства и повышения эффективности этих типов ячеек 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 4,50 долларов за ватт в 2006 году до 1 доллара за ватт в 2011 году.Стоимость солнечного модуля в США составляет от 20% до 40% от стоимости фотоэлектрической системы. По оценкам исследователей, повышение эффективности ячеек до 35% может снизить стоимость системы на 45 центов за ватт для коммерческих установок.
Однако, если стоимость ячейки III-V не может быть снижена до уровней долгосрочного сценария исследователей, тогда потребуется использование более дешевых и высокоэффективных материалов для верхней ячейки, чтобы сделать их конкурентоспособными по стоимости в общие рынки электроэнергии.