Многослойные солнечные панели ставят рекорд эффективности преобразования света

Инженеры из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне (University of Illinois at Urbana-Champaign) разработали новый тип солнечных панелей, в котором фотоэлектрические элементы расположены слоями, вместо традиционного плоского размещения, что позволяет полноценно использовать весь спектр солнечного излучения.

Панели способны улавливать излучение с различной длиной волны, что положительно сказывается на эффективности преобразования, которая достигает значения в 44%, что значительно выше, в сравнении с 29% эффективности стандартных солнечных панелей.

Проект по разработке многослойных солнечных панелей возглавил Профессор Джон Роджерс (Professor John Rogers), который работает совместно с компаниями Semprius и Solar Junction.

Команда разработала способ использования печати при помощи мягких печатных штампов для получения чрезвычайно маленьких и тонких слоев полупроводникового материала, расположенных один над другим. Высокоскоростной процесс обеспечивает получение четырехслойного единичного элемента солнечной панели, который обеспечивает преобразование солнечного света с очень широким охватом спектра.

Компания Semprius объединила изобретение со своей разработкой – двух-стадийной оптической системой, которая может точечно концентрировать на объекте в тысячу раз больше света, чем на него попадает прямым путем. Для трех верхних слоев используются полупроводниковые материалы, тогда как для нижнего слоя используется германий.

Например, для верхнего слоя элемента может использоваться материал, обладающий широким бандгапом (запрещенная зона, характеристика полупроводника), который будет поглощать и преобразовывать высокоэнергетические фотоны, тогда как внутренние слои могут быть созданы из материалов с узким бандгапом и будут поглощать фотоны с низкой энергией. Эти элементы так же имеют высокоэффективный прозрачный внутренний слой, который позволяет полученным электронам и дыркам из соседних слоев проходить через коллектор элемента без повторного объединения.

Большой проблемой для дальнейшего улучшения технологии многослойных фотоэлектрических элементов может стать точность размещения слоев по сетке друг относительно друга, то, чего будет крайне сложно достичь при дальнейшем увеличении количества слоев. Что еще сложнее, при использовании традиционного дизайна, выходы каждого слоя должны прецизионно совпадать по причине того, что внутри элемента они соединяются последовательно.

И хотя разработчики пытаются обойти эти трудности, используя различные техники соединения слоев например, физическое соединение или при помощи различных органических связующих материалов с антибликовыми свойствами, ни один из этих способов пока не подошел на 100%. Они дают слишком большое внутреннее отражение, обладают низкими теплопроводными характеристиками или разрушаются от термомеханического стресса, возникающего при больших количествах солнечного света.

Разработчики не отчаиваются. «Мы использовали наши идеи и наработки для получения фотоэлектрических элементов с эффективностью преобразования 43.9% и эффективностью 36.5% для массива элементов. И хотя эти цифры пока не подтверждены внешними лабораториям, это лучшие показатели для фотоэлектрической технологии любого типа, полученные когда либо», - говорит Джон Роджерс.

«На данный момент мы используем композитные полупроводниковые материалы для трех верхних слоев и германий для нижнего слоя», - объясняет технологию Скотт Берроуз (Scott Burroughs), вице-президент технологического направления компании Semprius. «Мы измеряли эффективность как отдельных элементов, так и их массивов, комбинируя их с высокоэффективной оптикой в лабораторных условиях и на открытом солнце».

Сейчас команда работает над отработкой технологии и получением пяти- и шестислойных элементов для дальнейшего повышения эффективности.