Как солнечная батарея New Tandem находится в авангарде солнечных инноваций

Стоимость солнечной электроэнергии во многих частях мира начинает достигать паритета цен с электроэнергией, произведенной из более дешёвого ископаемого топлива. Но на источник чистой энергии по-прежнему приходится чуть более 1% мирового совокупного производства электроэнергии.

Для стимулирования глобальной солнечной энергетики, исследователи должны преодолеть некоторые из технологических ограничений, которые мешают дальнейшему развитию этой отрасли. Одно из этих ограничений — неспособность разработать достаточно высокоэффективные солнечные батареи, которые смогут преобразовывать значительное количество солнечного света в полезную электрическую энергию при очень низких затратах.

Группа исследователей из института Masdar и Массачусетского технологического института (MIT), возможно, нашли способ обойти, казалось бы непреодолимый барьер высокой эффективности и высокой стоимости путём использования инновационного мульти-соединения солнечных батарей, уникального «step-cell» подхода к проектированию и невысокую стоимость кремниевых элементов. Новые ступенчатые ячейки (step-cell) сочетают в себе два различных слоя материалов, поглощающих солнечный свет, чтобы собрать более широкий спектр солнечной энергии, и новый недорогой производственный процесс.

Концепция ступенчатых ячеек может достигать теоретической эффективности выше 40% при ожидаемом практическом КПД 35%. Это побудило главных исследователей доктора Аммар Нифе (Ammar Nayfeh) института Masdar, доцента кафедры электротехники и вычислительной техники MIT д-ра Юджейн Фитцджеральда (Eugene Fitzgerald), профессора материаловедения и инженерии MIT Мертона Флемминга (Merton C. Flemings) запланировать создание компании с целью коммерциализировать многообещающий фотоэлемент.

Доктор Юджейн Фитцджеральд запустил несколько коммерческих проектов, в том числе AmberWave Systems Corporation, Paradigm Research LLC, и 4Power LLC. Профессор считает, что ступенчатые ячейки могут быть готовы для рынка фотоэлектрики (PV) в течение следующего года или двух.

Для увеличения глобальной доли солнечной энергетики, солнечной фотоэлектрике нужно отойти от традиционных кремниевых кристаллических солнечных элементов, которые рекламируются как золотой стандарт в отрасли с точки зрения эффективности в течение более десяти лет. На самом деле, по некоторым оценкам, более 90% глобальных солнечных установок являются однопереходными кристаллическими кремниевыми солнечными элементами.

Это происходит потому, что солнечные батареи на основе кремния относительно дёшевы в изготовлении, но проблема состоит в том, что они не очень эффективны в преобразовании солнечного света в электричество. В среднем, солнечные панели, изготовленные из солнечных элементов на основе кремния преобразуют от 15% до 20% солнечной энергии в полезную электроэнергию. Низкая фотоэлектрическая эффективность кремния обусловлена, частично, его шириной запрещённой зоны. Ширина запрещенной зоны полупроводника препятствует эффективному преобразованию фотонов более высокой энергии, испускаемые в голубом, зёлном и жёлтом диапазонах спектра световых волн, в электрическую энергию. Вместо этого, только фотоны с более низкой энергией, испускаемые в красном диапазоне спектра световых волн, эффективно преобразуются в электрическую энергию.

Для того, чтобы использовать солнечные фотоны с более высокой энергией, ученые исследуют различные полупроводниковые материалы, такие как арсенид галлия (GaAs) и фосфид галлия (GaP). В то время как эти полупроводниковые приборы достигли более высокой эффективность, чем кремниевые, солнечные батареи наивысшей эффективности были сделаны наслоением различных полупроводниковых материалов поверх друг друга и точной настройкой для поглощения другой части спектра электромагнитных волн.

Эти слоистые ячейки, известные как мульти-плоскостные солнечные элементы, могут достигать теоретической эффективности свыше 50%. Но очень высокие производственные затраты мешают их попаданию на основной рынок солнечных батарей, смещая в узкоспециализированные ниши такие, как спутники, где высокие затраты менее важны, чем малый вес и высокая эффективность.

Ступенчатые ячейки (step-cell) института Masdar, которые могут быть изготовлены за долю от стоимости традиционных мульти-плоскостных солнечных батарей могут стать критическим решением, необходимым для выведения высокоэффективных мульти-плоскостных солнечных элементов на промышленный уровень и их коммерческого развития.

Инновационные ступенчатые ячейки изготовлены наслоением на базовые солнечные ячейки арсенида-фосфида галлия (GaAs1-xPx) — полупроводникового материала, который поглощает и эффективно преобразует более высокие энергии фотонов на относительно недорогих кремниевых солнечных батареях. Созданный таким образом тандем солнечных элементов способный, в конечном итоге, достичь практической эффективности преобразования примерно в 35%.

Ступенчатая ячейка создает буквально «ступеньку» между верхним слоем арсенида фосфида галлия и нижним слоем кремния. Слой кремния открывается, появляясь, как нижняя ступенька. Этот намеренный конструктивный шаг позволяет верхнему арсениду-фосфида галлия (GaAs1-xPx) абсорбировать фотоны высокой энергии (синего, зеленого и желтого спектра), предоставляя нижнему слою кремния, поглотить не только фотоны более низкой энергии (красного спектра), передаваемого через верхние слои, но также и весь видимый спектр.

Уникальная конструкция гарантирует, что нижележащая ячейка кремния, может получить больше фотонов в облучённой части «ступеньки», повышая эффективность солнечной ячейки. Эта «ступенька» может быть использована в качестве нового параметра оптимизации конструкции с дополнительными преимуществами дешёвого производственного процесса.

«Мы поняли, что, когда верхний слой арсенида-фосфида галлия полностью покрывал нижний слой кремния, нижние фотоны были поглощены кремний—германием (Si1−xGex) подложки, на которой арсенид-фосфид галлия выращивается и, таким образом, солнечная батарея имела намного более низкую эффективность» — объяснила Сабина Абдул Хади (Sabina Abdul Hadi), аспирант Института Masdar, чья докторская диссертация обеспечила основополагающие исследования для ступенчатых ячеек. «Вытравливая верхний слой и обнажая часть слоя кремния мы смогли значительно повысить эффективность», добавила она. Она была одной из 9 кандидатов аспирантов на получение учёной степень доктора в шестом ежегодном актовом дне института Masdar, который был проведен в начале этого месяца.

Абдул Хади, которая работала под руководством доктора Нифе, провела моделирование на основе результатов эксперимента для определения оптимальных уровней и геометрической конфигурации слоя арсенида-фосфида галлия на кремнии с получением наивысшей эффективности. Её выводы привели команду к первоначальному доказательству концепции солнечного элемента. Абдул Хади будет продолжать поддерживать технологическое развитие ступенчатых ячеек после аспирантуры в качестве научного сотрудник Института Masdar.

«Я очень горжусь тем, чего достигла Сабина во время её аспирантуры. Она идеальный аспирант и её работа включает теоретическое обоснование, моделирование, реализацию идеи и анализа затрат. Мы очень рады, что после защиты докторской она вступит в должность и будет помогать развитию и коммерциализации технологий ступенчатых ячеек», сказал докторар Нифе.

Группа со стороны MIT разработала арсенид-фосфид галлия, путём выращивания полупроводникового сплава на подложке из кремний-германия.

«Арсенид-фосфид галлия не может быть выращен непосредственно на кремнии, так как его кристаллическая решётка значительно отличается от кремния поэтому, кристаллы кремния деградируют. Вот почему мы вырастили арсенида галлия на основе фосфида кремния—германия — это обеспечило более стабильную основу» — объясняет д-р Нифе.

Проблема кремний-германия под слоем арсенида-фосфида галлия в том, что кремний-германий поглощает меньшую энергию световых волн прежде, чем они достигнут нижнего слоя кремния, а кремний-германий не преобразовывает эти низкие энергии световых волн в электрический ток, поскольку он не является активной частью ячеек в этом многопереходном солнечном элементе.

«Чтобы добиться решения оптической задачи, поставленной кремний-германием, мы разработали идею ступенчатой ячейки, что позволяет использовать различные полосы поглощения энергии арсенида галлия и кремния-фосфата» — сказал д-р Нифе.

Объясняя будущий недорогой процесс изготовления доктор Фицджеральд сказал: «Мы вырастили арсенид-фосфид галлия на верхней части кремний-германия, по образцу его оптимизированной геометрической конфигурации и приклеили его к ячейке кремния. Затем мы травились через узорчатые каналы и отрывали кремний-германий от сплава на кремнии. То, что остается после этого и является высокоэффективным тандемом солнечных элементов, а шаблон кремний-германия снова готов для повторного использования.»

Поскольку тандемные ячейки соединены друг с другом, а не создаются в виде монолитного фотоэлемента (где все слои выращены на одной подложке), кремний-германий может быть удален и многократно повторно использован, что существенно снижает затраты на производство.

«Заметим, что один слой арсенида-фосфида галлия действительно может повысить эффективность солнечных батарей, а из-за уникальной способности стравливать кремний-германий и повторно использовать его, стоимость поддерживается на низком уровне, поскольку вы можете окупить эти затраты кремний-германия производством многих ячеек», добавил он.

Результаты исследования группы представлены на 40-й и 42-й ежегодной конференции IEEE PVSC. Работа отмечена, как Лучший стенд на 42-й конференции IEEE PVSC. Кроме того, первоначальная концепция ступенчатой ячейки будет представлен 8 июня 2016 года на 43-м IEEE PVSC в Портленде штата Орегон. Более детальные исследования группы опубликованы в Журнале Прикладной Физики (Journal of Applied Physics) и Фотоэлектрическом Журнале IEEE (IEEE Journal of Photovoltaics).

Доктор Фитцджеральд считает, что ступенчатые ячейки идеально вписываются в существующий разрыв рынка солнечных фотоэлектрических систем, между супервысокой эффективностью (в которой преобладают дорогие фотоэлектрические системы, используемые в спутниках и других специфических областях) и низкой эффективностью серийных моделей. Это способствует их уникальному позиционированию на рынке и по мере увеличения объемов в этом разрыве рынка производственные затраты будут снижаться еще больше с течением времени.

Этот проект был начат в качестве одного из девяти флагманских исследовательских проектов Masdar — MIT, с участием преподавателей и студентов из обоих университетов и которые имеют высокий потенциал.

«Этот исследовательский проект подчеркивает важную роль, которую исследования и международное сотрудничество играют в разработке коммерчески пригодной технологии на основе инноваций. И это прекрасная демонстрация того, как исследовательская идея может превратиться в предпринимательскую реальность» — сказал д-р Нифе.

Новые солнечные батареи «Step» на основе мульти-перехода кремния, разработанные в рамках этого совместного исследовательского проекта, напрямую способствуют развитию высококвалифицированного человеческого капитала и инновационных технологических систем, необходимых знаний для преобразованя топливной экономики ОАЭ.