Исследователям-физикам Лундского университета в Швеции недавно удалось сконструировать небольшие собирающие солнечное излучение антенны — нанопроволоки — с использованием трех различных материалов, которые лучше соответствуют солнечному спектру по сравнению с современными кремниевыми солнечными элементами. Поскольку нанопроволоки легкие и требуют небольшого количества материала на единицу площади, теперь их нужно устанавливать для испытаний на спутниках, которые питаются от солнечных элементов и где эффективность в сочетании с малым весом является наиболее важным фактором. Новые солнечные элементы были отправлены в космос несколько дней назад.
Нанопроволоки в трех материалах, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа. Нить в тысячу раз тоньше пряди волос. Красный и синий цвет показывают направление тока и то, что нанопровода работают как тандемный солнечный элемент. Предоставлено: Лундский университет.
Группа исследователей в области наноинженерии из Лундского университета, работающая над солнечными элементами, совершила прорыв в прошлом году, когда им удалось создать фотоэлектрические нанопровода. с тремя различными ширинами запрещенной зоны. Другими словами, это означает, что одна и та же нанопроволока состоит из трех разных материалов, которые реагируют на разные части солнечного света. Результаты были опубликованы в Materials Today Energy , а затем более подробно опубликованы в Nano Research .
«Большой проблемой было заставить ток передаваться между материалами. Это заняло более десяти лет, но в конце концов это сработало», — говорит Магнус Боргстрем, профессор физики твердого тела, написавший статьи вместе с тогдашним докторантом Лукасом. Граховина.
Во всем мире существует около десяти исследовательских групп, которые активно занимаются солнечными элементами с нанопроволокой.
«Задача заключалась в том, чтобы объединить различные ширины запрещенной зоны в солнечных элементах, и теперь эта дверь наконец открылась», — говорит Магнус Боргстрём.
Альтернатива кремнию в будущем
Солнечные элементы с различной шириной запрещенной зоны, известные как тандемные солнечные элементы, пока в основном находятся на спутниках и являются предметом интенсивных исследований. Целью исследования является значительное повышение эффективности, возможно, вдвое по сравнению с сегодняшними коммерческими кремниевыми солнечными элементами (около 20%).
«Кремниевые солнечные элементы вскоре достигли своего максимального предела эффективности. Поэтому теперь акцент сместился на разработку тандемных солнечных элементов. Варианты, устанавливаемые на спутники, слишком дороги, чтобы ставить их на крышу», — говорит Магнус Боргстрём.
Наиболее распространенный способ создания тандемных солнечных элементов — это синтез различных полупроводниковых материалов друг над другом, материалов, которые могут поглощать разные части солнечного спектра. Тандемные солнечные элементы на основе кремния вызывают большой интерес и включают в себя укладку тонких полупрозрачных пленок из другого светопоглощающего материала поверх кремния.
Исследователи из Лунда используют несколько иной подход. Они разработали метод, в котором они строят чрезвычайно тонкие стержни из полупроводникового материала на подложке. Преимуществом является небольшое количество материала на единицу площади, что может снизить производственные затраты и стать более устойчивой альтернативой.
Стержни нанометровой толщины состоят из трех материалов, содержащих разное количество индия, мышьяка, галлия и фосфора. В лаборатории исследователи достигли эффективности 16,7%. Коллега Ян Чен показал, что солнечные элементы с нанопроволокой могут достичь эффективности 47%, используя текущую структуру. Для достижения еще более высокой эффективности требуется больше запрещенных зон.
На следующем этапе он и его коллеги оптимизируют тройные диоды, улучшая туннельные переходы, соединяющие различные материалы в структуре, и попытаются уменьшить влияние поверхности нанопроволок, что очень важно в наномасштабе.
Помимо улучшенного поглощения света, солнечные элементы из нанопроволоки отличаются своей долговечностью, поскольку они могут, например, лучше противостоять вредному излучению в космосе, чем соответствующие тандемные солнечные элементы на основе пленки.
Испытания в космосе весной
Эти преимущества привели к тому, что солнечные элементы из нанопроволоки недавно были установлены на исследовательский спутник, который был отправлен в космос во вторую неделю января партнерами по сотрудничеству исследователей из Калифорнийского технологического института.
«Большая часть нашей цифровой связи контролируется спутниками, которые, в свою очередь, питаются от солнечных батарей. Спутники передают GPS, телевизионные передачи, трафик данных, звонки по мобильному телефону и данные о погоде».
Спутник будет находиться на орбите весной, и ожидается, что результаты будут получены на постоянной основе.
Магнус Боргстрем считает, что тандемные солнечные элементы также появятся на Земле в долгосрочной перспективе, но, по крайней мере, на начальном этапе солнечные элементы без кремния будут использоваться в нишевых приложениях, таких как одежда, окна и декор.
Дополнительная информация: Лукас Граховина и др., Реализация фотоэлектрических нанопроводов GaInP/InP/InAsP с тройным соединением в осевом направлении для высокоэффективных солнечных элементов, Materials Today Energy (2022). DOI: 10.1016/j.mtener.2022.101050
Лукас Граховина и др., Разработка и определение характеристик фотогальванических нанопроводов с тандемным переходом с использованием измерений тока, индуцированного электронным пучком, Nano Research (2022). DOI: 10.1007/s12274-022-4469-1
Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК
Бесплатная служба распространения новостей для научных организаций и стартапов
hello@technovery.com