Прорыв в исследованиях синглетного деления открывает путь к повышению эффективности солнечных батарей
Аккумулятор FIAMM 12FGL120
Исследователи из Университета Нового Южного Уэльса (UNSW) подали заявку на патент и работают над масштабированием производства нового класса фотостабильных органических молекул, которые, как было доказано, повышают эффективность кремниевых солнечных батарей, снижают тепловыделение и продлевают срок службы панелей за счёт синглетного деления.
Исследователи из Школы фотовольтаики и возобновляемых источников энергии (SPREE) при Университете Нового Южного Уэльса (UNSW) подали заявку на патент и работают над масштабированием производства нового класса молекул, которые могут повысить эффективность кремниевых солнечных элементов, снизить тепловыделение и продлить срок службы панелей за счёт синглетного деления.
Результаты исследования команды, опубликованные в ACS Energy Letters под заголовком Солнечные элементы на основе синглетного деления c-Si: за пределами тетрацена, свидетельствуют об успешном использовании прочной, фотостабильной молекулы под названием дипирролонафтиридинидион (DPND) и подтверждают коммерческую выгоду от синглетного деления.
Профессор Нед Экинс-Доукс, ведущий исследователь в UNSW SPREE, заявил, что новый класс стабильных органических молекул может повысить эффективность преобразования энергии.
«Что особенно важно, мы разработали практичный способ получения кремниевых солнечных элементов с более высокой производительностью без затрат и сложностей, связанных с тандемами, которые теперь может использовать промышленность», — сказал Экинс-Доукс.
DPND, относительно стабильный краситель, впервые был использован для увеличения количества носителей заряда в кремнии для солнечных батарей.
«Сегодня эффективность кремниевых модулей обычно составляет от 20 % до 25 %. Синглетное деление может повысить этот показатель до 30 %, то есть для получения того же количества энергии потребуется меньше панелей, что снизит общие затраты на систему и позволит использовать их на крышах с ограниченным пространством, в электромобилях и фотоэлектрических системах, интегрированных в здания», — заявили исследователи.
«За счёт сбора энергии, которая в противном случае превратилась бы в тепло, синглетное деление снижает рабочую температуру кремниевых элементов. Лабораторные исследования и моделирование показывают, что панели могут работать на 2,4 градуса Цельсия холоднее, что продлевает срок их службы примерно на 4,5 года, снижает затраты на замену и повышает ценность долгосрочных договоров о покупке электроэнергии».
Они добавили, что синглетное деление в кремниевых солнечных элементах может быть реализовано с использованием существующих технологий и с минимальными изменениями в архитектуре.
В отличие от большинства современных солнечных элементов, которые преобразуют один поглощённый фотон в одну электронно-дырочную пару, синглетное деление позволяет одному высокоэнергетическому фотону генерировать две возбуждённые электронно-дырочные пары, что фактически удваивает электрический выход самой синей части солнечного спектра.
Согласно результатам исследования, использование молекул синглетного деления в кремниевых солнечных элементах может повысить эффективность преобразования энергии с 29 % до 42 %.
Недавняя работа команды, опубликованная в Nature Chemistry в 2024 году, показывает, как фотолюминесценция, возникающая при синглетном делении, связана с лежащим в её основе молекулярным процессом. По словам исследователей, излучаемый свет можно использовать для мониторинга процесса, что позволит диагностировать материалы и контролировать качество при производстве фотоэлектрических элементов.
Доцент UNSW SPREE Мурад Тайебджи заявил, что теперь можно с беспрецедентной точностью считывать световые сигналы синглетного деления.
«Это открывает возможности для поиска и оптимизации широкого спектра новых материалов, которые однажды смогут повысить эффективность кремниевых солнечных батарей», — сказал Тайебджи.
Исследование проводилось при поддержке программы Transformative Research Accelerating Commercialisation (TRAC008) Австралийского агентства по возобновляемым источникам энергии (ARENA). Финансирование в размере 4,8 млн австралийских долларов (3,1 млн долларов США) помогло преодолеть разрыв между лабораторными испытаниями и коммерческим внедрением.
Среди отраслевых партнёров — Jinko Solar, JA Solar, LONGi, Canadian Solar, DASolar, Leadmicro, Jollywood и Xinhao New Energy.
Доктор Джессика Яцзе Цзян, старший научный сотрудник UNSW SPREE, говорит, что интерес производителей очевиден.
«Больше энергии из тех же материалов, что и в модулях, плюс более низкая рабочая температура, что продлевает срок службы, — сказал Цзян. — Теперь мы переходим от элегантной науки к практическим солнечным продуктам, и это может оказать значительное влияние на промышленность, инвесторов и окружающую среду».