Kilde: solarindustrymag.com
Forskere ved det amerikanske energidepartementetNasjonalt laboratorium for fornybar energi(NREL) har laget en solcelle med rekordhøy effektivitet på 39,5 prosent under 1-solens global belysning. Dette er den høyeste effektive solcellen av enhver type, målt ved bruk av standard 1-solforhold.
"Den nye cellen er mer effektiv og har en enklere design som kan være nyttig for en rekke nye applikasjoner, for eksempel svært arealbegrensede applikasjoner eller romapplikasjoner med lav stråling," sier Myles Steiner, seniorforsker i NRELs høyeffektivitet Crystalline Photovoltaics (PV) Gruppe og hovedetterforsker på prosjektet. Han jobbet sammen med NREL-kollegene Ryan France, John Geisz, Tao Song, Waldo Olavarria, Michelle Young og Alan Kibbler.
Detaljer om utviklingen er skissert i papiret "Triple-junction solceller med 39,5 prosent terrestriske og 34,2 prosent plasseffektivitet muliggjort av tykke kvantebrønns supergitter," som vises i mai-utgaven av tidsskriftet Joule.
NREL-forskere satte tidligere rekord i 2020 med en 39,2 prosent effektiv solcelle med seks veikryss ved bruk av III-V-materialer.
Flere av de beste nyere solcellene har vært basert på den inverterte metamorfe multijunction-arkitekturen (IMM) som ble oppfunnet ved NREL. Denne nylig forbedrede IMM-solcellen med trippelkryss er nå lagt til Chart for Best Research-Cell Efficiency. Diagrammet, som viser suksessen til eksperimentelle solceller, inkluderer den forrige IMM-rekorden med tre veikryss på 37,9 prosent etablert i 2013 av Sharp Corporation i Japan.
Forbedringen i effektivitet fulgte forskning på "kvantebrønn" solceller, som bruker mange svært tynne lag for å modifisere solcelleegenskaper. Forskerne utviklet en kvantebrønnsolcelle med enestående ytelse og implementerte den i en enhet med tre veikryss med forskjellige båndgap, hvor hvert veikryss er innstilt for å fange opp og utnytte en annen del av solspekteret.
III-V-materialene, så kalt på grunn av hvor de faller i det periodiske systemet, spenner over et bredt spekter av energibåndgap som lar dem målrette mot forskjellige deler av solspekteret. Det øverste krysset er laget av galliumindiumfosfid (GaInP), midten av galliumarsenid (GaAs) med kvantebrønner, og bunnen av gittermismatchet galliumindiumarsenid (GaInAs). Hvert materiale har blitt svært optimalisert over flere tiår med forskning.
"Et nøkkelelement er at mens GaAs er et utmerket materiale og generelt brukt i III-V multijunction-celler, har det ikke helt riktig båndgap for en tre-junction-celle, noe som betyr at balansen av fotostrømmer mellom de tre cellene ikke er optimal. " kommenterer Frankrike, seniorforsker og celledesigner. "Her har vi modifisert båndgapet samtidig som vi opprettholder utmerket materialkvalitet ved å bruke kvantebrønner, som muliggjør denne enheten og potensielt andre applikasjoner."
Forskerne brukte kvantebrønner i mellomlaget for å utvide båndgapet til GaAs-cellen og øke mengden lys som cellen kan absorbere. Viktigere, de utviklet optisk tykke kvantebrønnenheter uten stort spenningstap. De lærte også hvordan man annealer GaInP-toppcellen under vekstprosessen for å forbedre ytelsen og hvordan man minimerer tråddislokasjonstettheten i gitter-mismatchede GaInAs, diskutert i separate publikasjoner. Til sammen informerer disse tre materialene det nye celledesignet.
III-V-celler er kjent for sin høye effektivitet, men produksjonsprosessen har tradisjonelt vært dyr. Så langt har III-V-celler blitt brukt til å drive applikasjoner som romsatellitter, ubemannede luftfartøyer og andre nisjeapplikasjoner. Forskere ved NREL har jobbet for å redusere produksjonskostnadene for III-V-celler drastisk og tilby alternative celledesign, som vil gjøre disse cellene økonomiske for en rekke nye bruksområder.
Den nye III-V-cellen ble også testet for hvor effektiv den ville være i romapplikasjoner, spesielt for kommunikasjonssatellitter, som drives av solceller og hvor høy celleeffektivitet er avgjørende, og kom inn på 34,2 prosent for en begynnelse av- livsmåling. Den nåværende utformingen av cellen er egnet for miljøer med lav stråling, og applikasjoner med høyere stråling kan muliggjøres ved videreutvikling av cellestrukturen.
NREL er det amerikanske energidepartementets primære nasjonale laboratorium for forskning og utvikling av fornybar energi og energieffektivitet. NREL drives for energiavdelingen av Alliance for Sustainable Energy LLC.
