Ученые сообщают об экспериментальном превышении предела эффективности кремниевых солнечных элементов по Шокли-Квейссеру
Китайско-американская исследовательская группа утверждает, что им удалось повысить эффективность преобразования энергии в однопереходном солнечном элементе n-типа более чем на 50 % за счёт предотвращения преобразования света в тепло при экстремально низких температурах. Результат был достигнут при температуре 30–50 кельвинов, что на несколько десятков градусов выше абсолютного нуля.
В кремниевых солнечных элементах была достигнута рекордная эффективность преобразования энергии — 50–60 % — за счёт подавления тепловых колебаний атомов кристаллической решётки при низких температурах.
Исследователи из Делавэрского университета в США и Тайчжоуского университета в Китае утверждают, что им удалось добиться рекордной эффективности преобразования энергии в кремниевом солнечном элементе — «50–60 %» — за счёт подавления тепловых колебаний атомов кристаллической решётки при экстремально низких температурах.
«Для нашего эксперимента мы использовали фрагменты коммерческих фотоэлектрических элементов, — рассказал ведущий автор исследования Бинцин Вэй журналу PV. «Нам пришлось поместить элементы размером 4 мм x 8 мм в низкотемпературную камеру, которая недостаточно велика, чтобы вместить целый элемент».
Если этот результат подтвердится, он может стать «первым экспериментальным прорывом» верхнего теоретического предела эффективности поглощения энергии кремниевыми солнечными элементами, называемого пределом Шокли — Кэйссера, который составляет около 33,7 %
«На данный момент мы подтвердили результаты внутри компании, — продолжил Вэй. — Тестирование проводилось при экстремально низких температурах, из-за чего мы не смогли найти третью сторону, которая могла бы провести эксперименты и подтвердить результаты».
Ученые объяснили, что рекордная эффективность была достигнута при очень низких температурах — 30–50 кельвинов (К), что на несколько десятков градусов выше абсолютного нуля. Они также отметили, что при температуре ниже 150 К обычные солнечные элементы выходят из строя, так как носители заряда оказываются в ловушке.
«При температуре ниже 150–200 К эффективность будет снижаться с уменьшением температуры из-за эффектов, связанных с носителями заряда. Гипотеза о том, что повышение эффективности за счёт охлаждения больше не работает при низких температурах, противоречит закону термодинамики», — подчеркнули они, отметив, что этот эффект может привести к значительному снижению тока короткого замыкания и почти нулевой эффективности при экстремально низких температурах.
«Традиционная теория может оказаться несостоятельной при применении к солнечным батареям, работающим при экстремально низких температурах», — добавили они.
При температуре ниже 150 К свободные носители заряда в солнечных элементах разрушаются, но фотоносители не подвержены эффекту вымораживания и могут сохраняться даже при нулевой температуре, если есть фотоны. Плотность фотоносителей в нижнем слое элемента определяется интенсивностью достигающего его света, а это значит, что эффект вымораживания можно преодолеть, увеличив глубину проникновения света и уменьшив толщину элемента.
Их стратегия заключалась в увеличении глубины проникновения света для эффективного предотвращения вымораживания носителей заряда при одновременном снижении тепловых потерь, что, как сообщается, позволило расширить диапазон рабочих температур кремниевых элементов до 10 К. Они использовали гомохроматические лазеры с разной энергией фотонов, чтобы повысить подвижность носителей заряда за счёт регулирования температуры.
При стандартных условиях освещения и температуре 30 К эффективность элемента составила около 51 %, что, по словам учёных, вдвое превышает мировой рекорд эффективности в 27,3 %, достигнутый при комнатной температуре китайским производителем Longi для солнечного элемента с гетеропереходом и обратным контактом (BC), и примерно на 20 % превышает предел S-Q при тех же температурах.
Результаты эксперимента были представлены в исследовании «Превышение предела эффективности Шокли — Квайссера в фотоэлектрических элементах», опубликованном в Nano-Mirco Letters. «Эта работа переписывает правила игры в низкотемпературной фотовольтаике, превращая режим замерзания, которого раньше так боялись, в окно сверхэффективности, позволяющее создавать однопереходники с КПД более 50 % для сбора энергии в экстремальных условиях».
В перспективе исследовательская группа намерена разработать ячейки размером 4 см2 «для полётов», которые можно будет использовать в космосе, а также пройти отбор на участие в программе NASA Commercial Lunar Payload Services.