Питерские ученые снижают стоимость солнечных элементов

Потенциальная эффективность таких солнечных элементов может превышать 40% при необходимой концентрации солнечного света, что в 1,5 раза выше, чем у современных кремниевых технологий

Группа петербургских ученых предложила и экспериментально опробовала технологию изготовления высокоэффективных солнечных элементов на основе полупроводников A₃B₅ (бинарные соединения элементов III и V групп периодической таблицы Д. И. Менделеева), встроенных в кремниевую подложку, что в будущем может повысить эффективность существующих однопереходных фотоэлектрических преобразователей в 1,5 раза.

Нобелевский лауреат Жорес Алфёров ранее предсказывал развитие этой технологии. Результаты опубликованы в журнале Solar Energy Materials and Solar Cells [1].

Сегодня, в связи с быстрым истощением запасов углеводородного топлива и растущим беспокойством по поводу экологических проблем, ученые все больше уделяют внимание разработке так называемых «зеленых технологий». Одной из самых популярных тем в этой области является развитие фотоэлектрических технологий.

Однако, расширение использования солнечных панелей затруднено рядом факторов. Обычные кремниевые солнечные элементы имеют относительно низкий КПД - менее 20%. Более эффективные подходы требуют гораздо более сложных полупроводниковых технологий, что приводит к значительному удорожанию солнечных элементов.

Петербургские ученые предложили решение этой проблемы. Исследователи из Университета ИТМО, Санкт-Петербургского академического университета и ТИ имени А. Ф. Иоффе (Физтех) показали, что структуры A₃B₅ можно выращивать на недорогой кремниевой подложке, снижая тем самым стоимость производства многопереходных солнечных элементов.

«Наша работа направлена на разработку эффективных солнечных элементов на основе материалов A₃B₅, интегрированных в кремниевую подложку», - комментирует Иван Мухин, исследователь из Университета ИТМО, руководитель лаборатории Академического университета и соавтор исследования.

«Основная трудность в эпитаксиальном синтезе на кремниевой подложке заключается в том, что осажденный полупроводник должен иметь тот же параметр кристаллической решетки, что и кремний. Грубо говоря, атомы этого материала должны находиться на том же расстоянии друг от друга, что и атомы кремния».

«Существует несколько полупроводников, которые отвечают этому требованию. Один пример - фосфид галлия GaP. Однако он не очень подходит для изготовления солнечных элементов, поскольку обладает плохой способностью поглощать солнечный свет.

Но если взять GaP и добавить к нему азот N, можно получить GaPN - это решение. Даже при низких концентрациях N этот материал демонстрирует свойство прямой полосы и отлично поглощает свет, и, кроме этого, обладает способностью интегрироваться в кремниевую подложку.

В то же время кремний не только служит строительным материалом для фотоэлектрических слоев, но и сам также может быть фотоактивным слоем солнечного элемента, поглощая свет в инфракрасном диапазоне. Жорес Алферов одним из первых озвучил идею объединения структур A₃B₅ и кремния».

Ученым удалось получить верхний слой солнечного элемента, интегрированный в кремниевую подложку. С увеличением числа фотоактивных слоев эффективность солнечного элемента растет, так как каждый слой поглощает свою часть солнечного спектра.

На данный момент исследователи разработали первый небольшой прототип солнечного элемента на основе A₃B₅ на кремниевой подложке. Сейчас они работают над созданием солнечного элемента, который будет состоять из нескольких фотоактивных слоев. Такие солнечные элементы будут значительно эффективнее поглощать солнечный свет и генерировать электричество.

«Мы научились выращивать самый верхний слой. Если добавить мышьяк, получится четверной сплав GaPNAs, и из него можно вырастить несколько соединений, работающих в разных частях солнечного спектра. Как было показано в нашей предыдущей работе, потенциальная эффективность таких солнечных элементов может превышать 40% при необходимой концентрации солнечного света, что в 1,5 раза выше, чем у современных кремниевых технологий", заключает Иван Мухин.

 

Ссылки:

1. https://doi.org/10.1016/j.solmat.2019.110282

 

Источник: EurekAlert