Multifunktionel solcelle kan overstige 50% effektivitetsmål

(Phys.org) —Forskere har designet en ny multifunktionel solcelle, der, i simuleringer, kan opnå en effektivitet på 51,8%. Denne høje ydelse overstiger det nuværende mål om 50% effektivitet inden for multifunktionel solcelleforskning samt den nuværende verdensrekord på 43,5% for en solcelle med 3 kryds.

Arbejdet blev udført af et samarbejde mellem forskere fra California Institute of Technology i Pasadena; National Institute of Standards and Technology i Gaithersburg, Maryland; University of Maryland i College Park; og Boeing-Spectrolab, Inc., i Sylmar, Californien. Teamet offentliggjorde et papir om deres arbejde i en nylig udgave af Anvendt fysik bogstaver .

Som forskerne forklarer, multijunction solceller er en af ​​de mest lovende enheder til effektivt at omdanne sollys til elektricitet. I multifunktionelle solceller, hvert kryds eller subcelle absorberer og konverterer sollys fra et specifikt område af spektret. Undercellerne kan stables oven på hinanden, så sollys først rammer den højeste båndgab -subcelle, som er afstemt til lys med de korteste bølgelængder eller højeste energier. De længere bølgelængder passerer gennem den første subcelle og rammer de nedre båndgab -subceller.

Dette arrangement giver en betydelig fordel i forhold til solceller med enkelt kryds, som har en maksimal teoretisk effektivitet på kun 34%. I teorien, en "infinite-junction" solcelle har en maksimal teoretisk effektivitet på næsten 87%. Men for at nærme mig dette niveau, multijunction solceller har ikke kun brug for flere subceller, men optimale halvledermaterialer til delcellerne til at tilvejebringe en kombination af båndgab, der dækker så meget af solspektret som muligt.

For at forbedre de nuværende bedste multifunktionelle solceller, forskerne her fokuserede på at forbedre den aktuelle match mellem de forskellige delceller, sammen med at bruge et gitter-matchet design. Begge disse faktorer har tidligere begrænset effektiviteten af ​​multicelle solceller.

"Gittermatchen svarer til matchningen mellem krystalenhedens celler fra de forskellige delceller, "hovedforfatter Marina Leite, energiforsker ved National Institute of Standards and Technology, fortalt Phys.org . "Ved at bruge subceller, der er gitter-matchede, vi kan minimere dislokationer og andre krystaldefekter, der kan påvirke enhedens ydeevne betydeligt. En strømtilpasning er påkrævet for to-terminal tandem-konfigurationer, fordi i dette tilfælde passerer en enkelt strøm gennem alle delcellerne, og spændingerne tilføjes; derfor, hvis en undercelle har mindre fotostrøm, vil den begrænse den strøm, der genereres af hele enheden. Den aktuelle match er ønsket, så hver enkelt undercelle fungerer ved sit eget maksimale effektpunkt. "

Forskerne udførte simuleringer med fuld enhed for at undersøge solcellens potentielle effektivitet. For hvert lag i modelleringen, de overvejede mange faktorer, såsom materialesammensætning, gitter konstant, tykkelse, Dielektrisk konstant, elektronaffinitet, båndgab, effektiv ledning og valensbåndstætheder, elektron- og hulmotiver, dopingkoncentrationen af ​​overfladiske acceptorer og donorer termisk hastighed af elektroner og huller, legeringstætheden, Sneglrekombination for elektroner og huller, direkte rekombination mellem bånd og bånd, og hvor mange fotoner med en bestemt bølgelængde absorberes og reflekteres af hvert lag baseret på dets dielektriske egenskaber.

Regnskab for alle disse faktorer, simuleringerne viste, at 3-junction-designet kunne opnå en effektivitet på 51,8% under 100 solers belysning, en stor forbedring i forhold til den nuværende bedste 43,5% effektivitet under 418-solers belysning. Alle tre delceller i det nye design havde en maksimal ekstern kvanteeffektivitet på 80% og absorberede lys fra en bred vifte af spektret.

"De multifunktionelle solceller testes under forskellige antal soler, fordi de ofte bruges i solcelleanlæg til koncentratorer, som giver os mulighed for at reducere størrelsen eller antallet af nødvendige celler, "Forklarede Leite." Disse strategier tolererer brug af dyrere halvledermaterialer, som ellers ville være omkostningsforbudende. Resultaterne kan bestemt sammenlignes med hinanden, så længe belysningskilderne er godt kalibrerede. "

Forskerne byggede også en principiel solcelle med et tilsvarende design, som de fremstillede på et indiumphosphid (InP) substrat. Solcellen blev ikke optimeret, så dens effektivitet var langt fra den teoretiske forudsigelse, men resultaterne demonstrerede ikke desto mindre evnen til eksperimentelt at realisere designet. Forskerne forudsiger, at med yderligere forbedringer, denne ækvivalente 3-junction solcelle kunne have en praktisk effektivitet på omkring 20% ​​under 1-sol belysning.

"[Den fremstillede solcelle] præsenterer et dårligt nuværende match, men demonstrerer vores evne til at dyrke halvlederforbindelser af høj kvalitet med en ekstremt lav massefejl og støkiometri meget tæt på, hvad der kræves for det optimerede design, "Sagde Leite." Det bandgap-optimerede design er dannet af den samme klasse af legeringer, og har en fantastisk aktuel kamp. Så, ved optimering af antirefleksbelægninger og andre designparametre simuleringerne indikerer, at man kan nå mere end 50% under koncentreret sollys. "

Ud over en optimeret anti-refleks belægning, nogle af de andre forbedringer kan indebære tilføjelse af vindues- og bagoverfladelag for at reducere tab og fortykkelse af de nederste to underceller for at absorbere lys med lang bølgelængde mere fuldstændigt.

"Jeg er meget begejstret for vores første resultater vedrørende et bandgap-optimeret design, "Sagde Leite." I den nærmeste fremtid planlægger jeg at arbejde med integrationen af ​​det optimerede design i enkeltkrystalskabelonen for at fremstille en første monolitisk (1,93 eV) InAlAs/(1,39 eV) InGaAsP/(0,94 eV) InGaAs solar celle. Samtidigt, vi undersøger mulighederne for antirefleks-belægning for InAlAs topundersøgelse, som vil kræve et iltfrit materiale eller kombinationen af ​​et oxid og et sulfid som et beskyttende lag. "

Copyright 2013 Phys.org
Alle rettigheder forbeholdes. Dette materiale må ikke offentliggøres, udsende, omskrevet eller omfordelt helt eller delvist uden udtrykkelig skriftlig tilladelse fra Phys.org.