Перейти к основному содержанию
x
Длительные исследования в области генерации солнечной энергии позволили ученым достичь высоких показателей эффективности, но относительно недорогие тонкопленочные солнечные батареи все еще значительно отстают от более дорогих кристаллических аналогов.

Один слой – хорошо, а два – лучше: инновации в солнечной энергетике

Длительные исследования в области генерации солнечной энергии позволили ученым достичь высоких показателей эффективности, но относительно недорогие тонкопленочные солнечные батареи все еще значительно отстают от более дорогих кристаллических аналогов. Группа ученых из Университета Эван Пью, под руководством профессора Ахлеш Лахтакия, выдвинула гипотезу, согласно которой одновременное использование двух тонких пленок из разных материалов в процессе производства солнечных батарей может послужить увеличению эффективности конечного продукта. Прирост, согласно исследованию, составит около 34%.

Профессор Ахлеш Лахатия, исследуя предметное поле энергогенерирующих мощностей солнечного типа, обратил внимание на то, что научное сообщество крайне «однобоко» подходит к данной технологии.

«Исследователи-оптики концентрируются на процессе сбора солнечного света, пытаясь оптимизировать процесс его захвата, исследователи-электрики, в свою очередь, фокусируют свое внимание на том, как собранный солнечный свет превращается в электричество. При этом представители обоих направлений недостаточно тесно сотрудничают», - отметил профессор.

Ученые решили создать модель, в которой как электрические, так и оптические аспекты имеют равноправное значение. Нижней границы увеличения эффективности генерирующих элементов, для сохранения целесообразности развития бинарной технологии, является 30%.

Стоит отметить тот факт, что Лахтакия – теоретик, он не производит пленки для солнечных батарей в лаборатории, он создает математические модели, которые описывают возможные конфигурации и материалы. В дальнейшем его гипотезы получают экспериментальное сопровождение. Согласно его заявлениям, математическая структура оптимизации оптики и электрики в значительной степени разнятся, что существенно снижает энергоэффективность существующих проектов солнечных батарей.

Как устроены солнечные элементы

Прозрачный верхний слой позволяет солнечному свету попадать на слой преобразования энергии. Материал, выбранный для преобразования энергии, поглощает свет и создает потоки отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных частиц, движущихся в противоположных направлениях. Разноименно заряженные частицы переносятся на верхний контактный слой и нижний контактный слой, которые выводят электричество из ячейки для его дальнейшего использования. Количество энергии, которое может производить ячейка, зависит от количества собираемого солнечного света и мощности преобразовательного слоя. Различные материалы предназначены для преобразования световых волн разной длины.

«В результате исследования показали, что повышение эффективности, в первую очередь, необходимо увеличить количество поглощаемого света. Для этого мы разработали специальный неоднородный абсорбирующий слой», подчеркнул исследователь.

Разработанный учеными особый способ заключается в использовании двух разных абсорбирующих материалов в двух разных тонких пленках. В качестве слоев исследователи выбрали коммерчески доступный диселенид меди, индия, галлия (CIGS) и селенид меди, цинка, олова и серы (CZTSSe). Сама по себе эффективность CIGS составляет около 20%, а CZTSSe - около 11%.

Эти два материала могут одновременно присутствовать в солнечной батарее, потому что их структура одинакова. По словам Лахтакиа, они имеют примерно одинаковую структуру решетки, поэтому их можно распологать друг над другом - они поглощают разные частоты спектра, поэтому присутствует эффект энергетической синергии.

«Это просто потрясающе. Бинарная структура позволила достичь КПД солнечной батареи 34%. Мы создали новую, совершенно иную, архитектуру солнечных элементов - многослойную. Теперь производители солнечных батарей могу комбинировать материалы для повышения эфективности солнечных энергогенераторов», заявил профессор.

По словам исследователей, наука стоит на пороге открытия технологий, которые значительно продвинут солнечную энергетику на массовом уровне. Следующим шагом является создание прототипов спроектированных бинарных моделей и подбор наиболее эффективных сочетаний материалов.

По словам исследователей, следующий шаг - создать новые экспериментально и посмотреть, какие есть варианты, чтобы получить окончательные, лучшие ответы.

Более полные результаты исследования опубликованы в недавнем выпуске журнала Applied Physics Letters.

 

Автор: Марышев Павел