Een groep wetenschappers uit St. Petersburg heeft een technologie voorgesteld en experimenteel getest voor de fabricage van hoogrenderende zonnecellen op basis van A3B5-halfgeleiders geïntegreerd op een siliciumsubstraat. die in de toekomst de efficiëntie van de bestaande enkelvoudige fotovoltaïsche omvormers met 1,5 keer kan verhogen. De ontwikkeling van de technologie werd voorspeld door Nobelprijswinnaar Zhores Alferov. De resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Zonne-energiematerialen en zonnecellen .

Vandaag, met de snelle uitputting van de brandstofreserves van koolwaterstoffen en een groeiende bezorgdheid over milieukwesties, wetenschappers besteden steeds meer aandacht aan de ontwikkeling van de zogenaamde 'groene technologieën'. Een van de meest populaire onderwerpen in het veld is de ontwikkeling van zonne-energietechnologieën.

Echter, een breder gebruik van de zonnepanelen wordt belemmerd door een aantal factoren. Conventionele siliciumzonnecellen hebben een relatief laag rendement - minder dan 20%. Efficiëntere technologieën vereisen veel complexere halfgeleidertechnologieën, wat de prijs van de zonnecellen aanzienlijk verhoogt.

De wetenschappers van St. Petersburg hebben een oplossing voor dit probleem voorgesteld. De onderzoekers van ITMO University, St. Petersburg Academic University en het Ioffe Institute toonden aan dat A3B5-structuren konden worden gekweekt op goedkoop siliciumsubstraat, waardoor de prijs van multi-junction zonnecellen daalt.

"Ons werk richt zich op de ontwikkeling van efficiënte zonnecellen op basis van A3B5-materialen geïntegreerd op siliciumsubstraat, " zegt Ivan Mukhin, een ITMO University-onderzoeker, hoofd van een laboratorium aan de Academische Universiteit en een co-auteur van de studie.

"De grootste moeilijkheid bij de epitaxiale synthese op siliciumsubstraat is dat de afgezette halfgeleider dezelfde kristalroosterparameter moet hebben als silicium. Grofweg gezegd, de atomen van dit materiaal moeten zich op dezelfde afstand van elkaar bevinden als de siliciumatomen. Helaas, er zijn maar weinig halfgeleiders die aan deze eis voldoen - een voorbeeld is galliumfosfide (GaP). Echter, het is niet erg geschikt voor de fabricage van zonnecellen, omdat het slechte zonlichtabsorberende eigenschappen heeft. Maar als we GaP nemen en stikstof (N) toevoegen, krijgen we een oplossing van GaPN. Zelfs bij lage N-concentraties, dit materiaal demonstreert de directe bandeigenschap en is geweldig in het absorberen van licht, evenals de mogelijkheid om te worden geïntegreerd op een siliciumsubstraat. Tegelijkertijd, silicium dient niet alleen als bouwmateriaal voor de fotovoltaïsche lagen - het kan zelf fungeren als een van de fotoactieve lagen van een zonnecel, licht absorberen in het infraroodbereik. Zhores Alferov was een van de eersten die het idee uitsprak om ASB5-structuren en silicium te combineren."

Werken in het laboratorium, de wetenschappers waren in staat om de bovenste laag van de zonnecel te verkrijgen, geïntegreerd op een siliciumsubstraat. Met een toename van de fotoactieve lagen neemt het rendement van de zonnecel toe, omdat elke laag zijn deel van het zonnespectrum absorbeert.

Vanaf nu, de onderzoekers hebben het eerste kleine prototype van een zonnecel op basis van de A3B5 op siliciumsubstraat ontwikkeld. Nu werken ze aan de ontwikkeling van de zonnecel die uit meerdere fotoactieve lagen zou bestaan. Dergelijke zonnecellen zullen aanzienlijk effectiever zijn in het absorberen van zonlicht en het opwekken van elektriciteit.

"We hebben geleerd om de bovenste laag te kweken. Dit materiaalsysteem kan mogelijk ook worden gebruikt voor tussenlagen. Als je arseen toevoegt, je verkrijgt quaternaire GaPNAs-legering, en van daaruit kunnen verschillende knooppunten die in verschillende delen van het zonnespectrum werken op een siliciumsubstraat worden gekweekt. Zoals aangetoond in ons vorige werk, de potentiële efficiëntie van dergelijke zonnecellen kan onder lichtconcentratie meer dan 40% bedragen, die 1,5 keer hoger is dan die van moderne Si-technologieën, " concludeert Ivan Mukhin.