Исследователи из Лаборатории фотовольтаики и тонкопленочной электроники (PV-Lab) Инженерной школы EPFL и CSEM разработали новый солнечный элемент, сочетающий в себе исключительное напряжение, высокую эффективность и масштабируемое производство. Устройство с тремя переходами состоит из кремниевой нижней ячейки, на которую в виде тонких пленок нанесены средняя и верхняя ячейки из полупроводников, называемых перовскитами. Согласно статье, опубликованной в журнале Nature, новое устройство достигает независимо сертифицированной эффективности в 30,02%, превосходя предыдущий сертифицированный рекорд в 27,1%.
Первый автор, Керем Артук, выпускник аспирантуры EPFL, ныне работающий в CSEM, говорит, что это достижение демонстрирует, как передовые материалы и оптическая инженерия могут обеспечить эффективность и напряжение, сопоставимые с солнечными батареями, используемыми в космических приложениях, но потенциально при значительно меньшей стоимости.
«Мы показываем, что благодаря продуманной конструкции и технологиям мы можем приблизиться к уровням производительности, традиционно доступным для самых дорогих многослойных солнечных элементов на основе полупроводников III–V групп, используемых в космосе, которые состоят из нескольких полупроводниковых слоев. Они могут достигать эффективности до 37% и стоить примерно в 1000 раз дороже наземных элементов в пересчете на ватт. Наш подход открывает двери для нового поколения промышленно жизнеспособных высокоэффективных многослойных фотоэлектрических элементов».
«Наша первая демонстрация в 2018 году показала эффективность всего 13%, поэтому достижение сегодня эффективности более 30% в трехслойном устройстве — это замечательное достижение», — добавляет руководитель PV-Lab Кристоф Баллиф. «Трехслойные солнечные элементы обладают еще более высоким потенциалом эффективности по сравнению с однослойными и тандемными — значительно выше 40%».
Архитектура, преодолевающая барьеры
Команда исследователей устранила два недостатка трехслойных солнечных элементов: низкое напряжение в верхнем перовскитном элементе и низкую генерацию тока в среднем элементе. Эти проблемы были решены с помощью трех новых усовершенствований в материальной и оптической конструкции устройства.
Во-первых, они добавили молекулу, которая направляет формирование перовскитных кристаллов и устраняет дефекты, что позволяет верхнему элементу создавать более высокое напряжение (1,4 В) под воздействием солнечного света. Во-вторых, они разработали новый трехэтапный метод изготовления среднего элемента, который улучшает поглощение света в ближней инфракрасной части солнечного спектра. Наконец, они добавили наночастицы между нижним кремниевым элементом и средним перовскитным элементом, которые отражают дополнительный солнечный свет обратно в средний элемент, еще больше увеличивая его ток.
На пути к доступной высокоэффективной солнечной энергии
Производство как перовскитов, так и кремния обходится дешевле, чем производство наиболее эффективных полупроводниковых солнечных элементов на основе соединений III-V групп, доступных сегодня, которые основаны на дорогостоящих материалах и в основном используются для питания спутников. Разработка солнечных элементов, способных достичь такого уровня эффективности при значительно меньших затратах, может способствовать развитию солнечных технологий следующего поколения для использования в коммунальном и бытовом масштабе, а также для космических применений.
Руководитель группы EPFL Кристиан Вольфф говорит, что они продолжат изучать стратегии масштабирования производства совместно с партнером CSEM, а также проводить испытания на долговечность и интеграцию в будущие коммерческие продукты.
«Этот проект демонстрирует силу сочетания фундаментальной науки со швейцарскими инженерными знаниями», — говорит он. «Показав, что недорогие перовскитные материалы могут приблизиться по характеристикам к самым передовым космическим фотоэлектрическим элементам, это исследование устанавливает новый стандарт для многослойных фотоэлектрических элементов».
