Ячейки, содержащие тандемную пару фотоэлектрических соединений с разными пределами поглощения могут значительно повысить эффективность солнечных панелей для целей «чистой зеленой энергии».
26 апреля 1954 The New York Times провозгласила светлое будущее на своей передовице: «Бесконечная энергия Солнца захвачена батареей, использующая ингредиент песка…» Потребовалось немало времени, чтобы пройти этот путь, но сегодня наша цель — генерация половины мировых потребностей электричества из энергии солнца к 2035, выводя природные ископаемые из процесса генерации электроэнергии в сеть…
Кремниевые ячейки, используемые в солнечных панелях имеют ограничения. Теория говорит, что предел их излучения — максимальная доля падающей солнечной энергии p-n перехода, которая может быть преобразована в электрическую энергию, не превышает 29,5% при нормальной солнечной интенсивности. Лучшая, на сегодня, измеренная в лаборатории, эффективность преобразований, составила 26,7%, что требует гетероструктуры кремния, эффективность лучших образцов простого p-n моноперехода — 26,1%.
Лучшее значение эффективности преобразования современных промышленных образцов составляет 23,4%, практический предел этой технологии — 24,5%. Превышение предсказанных пределов эффективности в 26% при массовом производстве и 27,5% , в лабораторных условиях, потребует новых материалов и технологий, таких как мультипереходные солнечные ячейки или ухищрения, такие как дополнительная подсветка ячеек сфокусированным солнечным светом, во много раз интенсивнее естественного.
Технологии, включающие Ш-V полупроводники и трюки с концентрацией солнечного света выглядят слишком дорогими для практической масштабной генерации энергии, по крайней мере, в ближайшей перспективе.
Лучшими вариантами представляются комбинации нового семейства материалов, называемых перовскит с новыми структурами двух или более материалов, вместе имеющих большую способных поглощать солнечный спектр.
Революция перовскит
«Перовскит получил массу внимания в последний год или около того…» говорит Нэнси Хэегел, директор центра материаловедения в NREL. Слово перовскит происходит от формы титаната кальция (CaTiO3) , впервые обнаруженного в Уральских горах в России и ныне широко используемого для большого семейства материалов, которые которые имеют одинаковую кристаллическую структуру.
На практике, поглощение и другие потери ограничивают эффективность. До сих пор, наилучшая эффективность преобразования, продемонстрированная при укладке шести фотоэлектрических переходов из дорогостоящих III-V соединений, составляла 47,1% — это было достигнуто при концентрированном солнечном свете, в 143 раза превышающем нормальную плотность мощности.
Наилучшая эффективность преобразования энергии с шестипереходными ячейками при нормальном солнечном освещении «как есть» в NREL составила 39,2%. Энергоэффективность ячеек с 3-мя и 4-мя переходами, предлагаемые сегодня на рынке компанией SolAereo Technologies (Альбукерке), для таких применений, как энергоснабжение космических аппаратов, составляет от 30% до 33%.
Оптимизируя материалы
Перовскиты хорошо подходят для многопереходных ячеек, и их потенциал для производства по рулонной технологии привлекателен, поскольку обеспечивает простоту изготовления и невысокий расход материалов. Перовскиты с широкой полосой пропускания могут быть нанесены в качестве верхних слоев как на кремний, так и на другие перовскиты с более низкой полосой пропускания. Недавно компания Oxford PV (Великобритания) сообщила о рекордной эффективности в 29,52% для тандемного перовскита на кремниевых солнечных элементах. Компания ожидает коммерческие образцы к лету 2022 года.
В дорожной карте фотоэлектрических технологий на 2020 год отмечается, что перовскитные солнечные элементы являются единственной поликристаллической тонкопленочной технологией, обеспечивающей КПД более 20% и ширину запрещенной зоны не менее 1,7 эВ. Сочетание этих широкополосных материалов с узкополосными материалами, такими как кремний, могло бы привести к созданию высокоэффективных тандемных солнечных элементов для выработки электроэнергии.
Но проблемы остаются. К примеру, все эффективные фотоэлектрические перовскиты содержат свинец. Хотя его количество невелико, а солнечные элементы обычно остаются запечатанными/инкапсулированными, общественности довольно сложно продать что-либо, содержащее свинец, как экологически чистую технологию.
Долговечность перовскитов на крупных солнечных электростанциях — еще одна проблема, которую можно было бы решить путем долгосрочных полевых испытаний стабильности. Их успешные результаты станут важным шагом к выходу на рынок.