Forrás: solarindustrymag.com
Az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának kutatóiNemzeti Megújuló Energia Laboratórium(NREL) olyan napelemet hoztak létre, amelynek hatékonysága rekord, 39,5 százalék 1-globális napfény mellett. Ez a legmagasabb hatásfokú napelem bármilyen típusú, szabványos 1-napviszonyok mellett mérve.
"Az új cella hatékonyabb és egyszerűbb kialakítású, ami hasznos lehet számos új alkalmazáshoz, például erősen korlátozott területű alkalmazásokhoz vagy alacsony sugárzású űrbeli alkalmazásokhoz" - mondja Myles Steiner, az NREL High-Efficiency vezető tudósa. A Crystalline Photovoltaics (PV) csoport és a projekt vezető kutatója. Együtt dolgozott az NREL munkatársaival, Ryan France-szal, John Geisz-szel, Tao Song-gal, Waldo Olavarriával, Michelle Young-lal és Alan Kibbler-rel.
A fejlesztés részleteit a Joule folyóirat májusi számában megjelenő „Hármas csomópontú napelemek 39,5 százalékos földi és 34,2 százalékos térhatékonysággal, vastag kvantumkutak szuperrácsai révén” című cikk ismerteti.
Az NREL tudósai korábban rekordot döntöttek 2020-ban egy 39,2 százalékos hatásfokú, hat csomópontos napelemekkel, amelyek III-V anyagokat használnak.
A közelmúlt legjobb napelemei közül több is az NREL-nél feltalált fordított metamorfikus multijunction (IMM) architektúrán alapul. Ez az újonnan továbbfejlesztett hármas csatlakozású IMM napelem most felkerült a legjobb kutatási cella hatékonysági táblázatra. A kísérleti napelemek sikerét bemutató diagramon a japán Sharp Corporation által 2013-ban megállapított korábbi, három csomópontos IMM rekord, 37,9 százalék.
A hatékonyság javulását követte a „kvantumkút” napelemek kutatása, amelyek sok nagyon vékony réteget használnak a napelemek tulajdonságainak módosítására. A tudósok kifejlesztettek egy kvantumkút napelemet, amely soha nem látott teljesítményt nyújt, és egy három, különböző sávszélességű csomóponttal rendelkező eszközben valósították meg, ahol minden csomópont úgy van hangolva, hogy a nap spektrumának más-más szeletét rögzítse és hasznosítsa.
A III-V anyagok, amelyeket azért neveztek el, mert hol esnek a periódusos rendszerben, az energiasávok széles skáláját ölelik fel, amelyek lehetővé teszik számukra, hogy a napspektrum különböző részeit célozzák meg. A felső csomópont gallium-indium-foszfidból (GaInP), a középső gallium-arzenidből (GaAs) kvantumkutakból, az alja pedig a rácshoz nem illeszkedő gallium-indium-arzenidből (GaInAs) készül. Mindegyik anyagot nagymértékben optimalizálták a több évtizedes kutatás során.
"A kulcsfontosságú elem az, hogy bár a GaAs kiváló anyag, és általában a III-V többcsatlakozású cellákban használják, nem rendelkezik egészen megfelelő sávszélességgel egy háromcsatlakozású cellához, ami azt jelenti, hogy a három cella közötti fotoáramok egyensúlya nem optimális. " - kommentálja Franciaország vezető tudósa és sejttervező. "Itt módosítottuk a sávszélességet, miközben megőriztük a kiváló anyagminőséget kvantumkutak használatával, amely lehetővé teszi ezt az eszközt és potenciálisan más alkalmazásokat."
A tudósok a középső rétegben lévő kvantumkutak segítségével növelték a GaAs sejt sávszélességét, és növelték a sejt által elnyelhető fény mennyiségét. Fontos, hogy optikailag vastag kvantumkút eszközöket fejlesztettek ki jelentősebb feszültségveszteség nélkül. Azt is megtanulták, hogyan kell lágyítani a GaInP felső cellát a növekedési folyamat során a teljesítményének javítása érdekében, és hogyan lehet minimalizálni a menetes diszlokáció sűrűségét a rácsos nem illeszkedő GaInA-kban, amelyet külön publikációkban tárgyalunk. Összességében ez a három anyag adja az új sejttervezést.
A III-V cellák nagy hatékonyságukról ismertek, de a gyártási folyamat hagyományosan drága. Eddig a III-V cellákat olyan alkalmazások meghajtására használták, mint az űrműholdak, pilóta nélküli légi járművek és más szűkös alkalmazások. Az NREL kutatói azon dolgoznak, hogy drasztikusan csökkentsék a III-V cellák gyártási költségeit, és alternatív cellaterveket kínáljanak, amelyek gazdaságossá teszik ezeket a cellákat számos új alkalmazáshoz.
Az új III-V cellát azt is tesztelték, hogy mennyire hatékony lenne az űralkalmazásokban, különösen a kommunikációs műholdak esetében, amelyek napelemekkel működnek, és amelyeknél a magas cellahatékonyság kulcsfontosságú, és 34,2 százalékot ért el a kezdeti időszakban. életmérés. A cella jelenlegi kialakítása alacsony sugárzású környezetbe is alkalmas, a cellaszerkezet továbbfejlesztésével pedig nagyobb sugárzású alkalmazások is lehetővé válhatnak.
Az NREL az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának elsődleges nemzeti laboratóriuma a megújuló energiával és az energiahatékonysággal kapcsolatos kutatás és fejlesztés területén. Az NREL-t az Energiaügyi Osztály számára az Alliance for Sustainable Energy LLC üzemelteti.
