Исследователям-физикам Лундского университета в Швеции недавно удалось сконструировать небольшие собирающие солнечное излучение антенны — нанопроволоки — с использованием трех различных материалов, которые лучше соответствуют солнечному спектру по сравнению с современными кремниевыми солнечными элементами. Поскольку нанопроволоки легкие и требуют небольшого количества материала на единицу площади, теперь их нужно устанавливать для испытаний на спутниках, которые питаются от солнечных элементов и где эффективность в сочетании с малым весом является наиболее важным фактором. Новые солнечные элементы были отправлены в космос несколько дней назад.

Группа исследователей в области наноинженерии из Лундского университета, работающая над солнечными элементами, совершила прорыв в прошлом году, когда им удалось создать фотоэлектрические нанопровода с тремя различными ширинами запрещенной зоны. Другими словами, это означает, что одна и та же нанопроволока состоит из трех разных материалов, которые реагируют на разные части солнечного света. Результаты были опубликованы в Materials Today Energy, а затем более подробно опубликованы в Nano Research.

«Большой проблемой было заставить ток передаваться между материалами. Это заняло более десяти лет, но в конце концов это сработало», — говорит Магнус Боргстрем, профессор физики твердого тела, написавший статьи вместе с тогдашним докторантом Лукасом.

Во всем мире существует около десяти исследовательских групп, которые активно занимаются солнечными элементами с нанопроволокой.

«Задача заключалась в том, чтобы объединить различные ширины запрещенной зоны в солнечных элементах, и теперь эта дверь наконец открылась», — говорит Магнус Боргстрём.

Альтернатива кремнию в будущем

Солнечные элементы с различной шириной запрещенной зоны, известные как тандемные солнечные элементы, пока в основном находятся на спутниках и являются предметом интенсивных исследований. Целью исследования является значительное повышение эффективности, возможно, вдвое по сравнению с сегодняшними коммерческими кремниевыми солнечными элементами (около 20%).

«Кремниевые солнечные элементы вскоре достигли своего максимального предела эффективности. Поэтому теперь акцент сместился на разработку тандемных солнечных элементов. Варианты, устанавливаемые на спутники, слишком дороги, чтобы ставить их на крышу», — говорит Магнус Боргстрём.

Наиболее распространенным способом создания тандемных солнечных элементов является синтез различных полупроводниковых материалов друг над другом, материалов, которые могут поглощать разные части солнечного спектра. Тандемные солнечные элементы на основе кремния вызывают большой интерес и включают в себя укладку тонких полупрозрачных пленок из другого светопоглощающего материала поверх кремния.

Исследователи из Лунда используют несколько иной подход. Они разработали метод, в котором они строят чрезвычайно тонкие стержни из полупроводникового материала на подложке. Преимуществом является небольшое количество материала на единицу площади, что может снизить производственные затраты и стать более устойчивой альтернативой.

Стержни нанометровой толщины состоят из трех материалов, содержащих разное количество индия, мышьяка, галлия и фосфора. В лаборатории исследователи достигли эффективности 16,7%. Коллега Ян Чен показал, что солнечные элементы с нанопроволокой могут достичь эффективности 47%, используя текущую структуру. Для достижения еще более высокой эффективности требуется больше запрещенных зон.

На следующем этапе он и его коллеги оптимизируют тройные диоды, улучшая туннельные переходы, соединяющие различные материалы в структуре, и попытаются уменьшить влияние поверхности нанопроволок, что очень важно в наномасштабе.

Помимо улучшенного поглощения света, солнечные элементы из нанопроволоки отличаются своей долговечностью, поскольку они могут, например, лучше противостоять вредному излучению в космосе, чем соответствующие тандемные солнечные элементы на основе пленки.

«Лист нанопроволок можно сравнить с очень редким ложем из гвоздей. Если попадутся какие-то агрессивные протоны, что время от времени случается, они, вероятно, окажутся между проволоками, и если им удастся удалить какие-то проволоки, это не будет иметь большого значения. много. Ущерб может быть больше, если они приземлятся на обычную тонкую пленку».

Испытания в космосе весной

Эти преимущества привели к тому, что солнечные элементы из нанопроволоки недавно были установлены на исследовательский спутник, который был отправлен в космос во вторую неделю января партнерами по сотрудничеству исследователей из Калифорнийского технологического института Калифорнийского технологического института в США.

«Большая часть нашей цифровой связи контролируется спутниками, которые, в свою очередь, питаются от солнечных батарей. Спутники передают GPS, телевизионные передачи, трафик данных, звонки по мобильному телефону и данные о погоде».

Спутник будет находиться на орбите весной, и ожидается, что результаты будут получены на постоянной основе.

Магнус Боргстрем считает, что тандемные солнечные элементы также появятся на Земле в долгосрочной перспективе, но, по крайней мере, на начальном этапе солнечные элементы без кремния будут использоваться в нишевых приложениях, таких как одежда, окна и декор.