Källa: solarindustrymag.com
Forskare vid US Department of Energy'sNationella laboratoriet för förnybar energi(NREL) har skapat en solcell med en rekordeffektiv effektivitet på 39,5 procent under 1-solens globala belysning. Detta är den högsta verkningsgraden av alla typer av solceller, mätt med standard 1-solförhållanden.
"Den nya cellen är effektivare och har en enklare design som kan vara användbar för en mängd nya applikationer, som applikationer med hög yta eller applikationer med låg strålning", säger Myles Steiner, senior forskare vid NREL:s högeffektivitet Crystalline Photovoltaics (PV) Grupp och huvudutredare på projektet. Han arbetade tillsammans med NREL-kollegorna Ryan France, John Geisz, Tao Song, Waldo Olavarria, Michelle Young och Alan Kibbler.
Detaljer om utvecklingen beskrivs i artikeln "Triple-junction solceller med 39,5 procent markbundna och 34,2 procent utrymmeseffektivitet möjliggjort av tjocka kvantbrunnars supergitter", som visas i majnumret av tidskriften Joule.
NREL-forskare satte tidigare rekord 2020 med en 39,2 procent effektiv solcell med sex korsningar som använder III-V-material.
Flera av de bästa solcellerna har varit baserade på den inverterade metamorfa multijunction-arkitekturen (IMM) som uppfanns vid NREL. Denna nyligen förbättrade triple-junction IMM-solcell har nu lagts till i tabellen över bästa forskningscellseffektivitet. Diagrammet, som visar framgången med experimentella solceller, inkluderar det tidigare IMM-rekordet med tre korsningar på 37,9 procent som fastställdes 2013 av Sharp Corporation i Japan.
Förbättringen av effektiviteten följde på forskning om "quantum well" solceller, som använder många mycket tunna lager för att modifiera solcellers egenskaper. Forskarna utvecklade en kvantbrunnssolcell med oöverträffad prestanda och implementerade den i en enhet med tre korsningar med olika bandgap, där varje korsning är avstämd för att fånga och utnyttja en annan del av solspektrumet.
III-V-materialen, så namngivna på grund av var de faller i det periodiska systemet, spänner över ett brett spektrum av energibandgap som gör att de kan rikta in sig på olika delar av solspektrumet. Den övre korsningen är gjord av galliumindiumfosfid (GaInP), mitten av galliumarsenid (GaAs) med kvantbrunnar och botten av galliumindiumarsenid (GaInAs) som inte matchar gallret. Varje material har optimerats mycket under årtionden av forskning.
"En nyckelfaktor är att även om GaAs är ett utmärkt material och vanligtvis används i III-V multijunction-celler, har det inte riktigt det korrekta bandgapet för en tre-övergångscell, vilket innebär att balansen av fotoströmmar mellan de tre cellerna inte är optimal. ", kommenterar Frankrike, senior forskare och celldesigner. "Här har vi modifierat bandgapet samtidigt som vi bibehåller utmärkt materialkvalitet genom att använda kvantbrunnar, vilket möjliggör den här enheten och potentiellt andra applikationer."
Forskarna använde kvantbrunnar i det mellersta lagret för att utöka GaAs-cellens bandgap och öka mängden ljus som cellen kan absorbera. Viktigt är att de utvecklade optiskt tjocka kvantbrunnsanordningar utan större spänningsförluster. De lärde sig också hur man härdar GaInP-toppcellen under tillväxtprocessen för att förbättra dess prestanda och hur man minimerar gängdislokationstätheten i gitter-felmatchade GaInAs, diskuterat i separata publikationer. Sammantaget informerar dessa tre material den nya celldesignen.
III-V-celler är kända för sin höga effektivitet, men tillverkningsprocessen har traditionellt sett varit dyr. Hittills har III-V-celler använts för att driva applikationer som rymdsatelliter, obemannade flygfarkoster och andra nischapplikationer. Forskare vid NREL har arbetat för att drastiskt minska tillverkningskostnaden för III-V-celler och tillhandahålla alternativa celldesigner, vilket kommer att göra dessa celler ekonomiska för en mängd nya applikationer.
Den nya III-V-cellen testades också för hur effektiv den skulle vara i rymdtillämpningar, särskilt för kommunikationssatelliter, som drivs av solceller och för vilka hög celleffektivitet är avgörande och kom in på 34,2 procent för en början av- livslängdsmätning. Den nuvarande designen av cellen är lämplig för miljöer med låg strålning, och tillämpningar med högre strålning kan möjliggöras genom vidareutveckling av cellstrukturen.
NREL är det amerikanska energidepartementets primära nationella laboratorium för forskning och utveckling av förnybar energi och energieffektivitet. NREL drivs för energiavdelningen av Alliance for Sustainable Energy LLC.
