Onderzoekers van het National Renewable Energy Laboratory (NREL) van het Amerikaanse Department of Energy en de University of New South Wales hebben een nieuw wereldrecord efficiëntie bereikt voor zonnecellen met twee knooppunten, het creëren van een cel met twee lichtabsorberende lagen die 32,9% van het zonlicht omzet in elektriciteit.

De sleutel tot het ontwerp van de cel is een reeks van meer dan 150 ultradunne lagen van alternerende halfgeleiders die kwantumputten creëren in de onderste absorber van de cel, waardoor het energie kan vangen uit een belangrijk bereik van het zonnespectrum. Hoewel het nieuwe record slechts bescheiden verbetert ten opzichte van het vorige efficiëntierecord van 32,8%, het is de eerste multijunction-zonnecel met recordefficiëntie die een spanningsgebalanceerde structuur gebruikt - een ontwerp dat veelbelovend is voor verdere verbeteringen.

De nieuwe cel wordt beschreven in een artikel in Advanced Energy Materials getiteld "High Efficiency Inverted GaAs and GaInP/GaAs Solar Cells With Strain-Balanced GaInAs/GaAsP Quantum Wells." De cellen hebben een gallium-indiumfosfide (GaInP) -laag voor hun bovenste junctie en een onderste junctie van galliumarsenide (GaAs) gestreept met 80 gestapelde lagen kwantumputten. Een kwantumput ontstaat wanneer een dunne laag halfgeleidermateriaal wordt ingeklemd tussen twee lagen materiaal met een grotere bandgap, ladingsdragers beperken tot de centrale laag.

Quantum Wells biedt mogelijkheden

De opname van zoveel kwantumbronnen in de onderste junctie verlaagt de effectieve bandgap van die junctie, het vergroten van de golflengte van het licht dat het kan absorberen. Door langere golflengten vast te leggen, kan de tandemcel meer energie uit het zonnespectrum halen, waardoor de cel efficiënter is in het omzetten van licht in elektriciteit.

traditioneel, kwantumbronnen zijn voornamelijk gebruikt in lasers, LED's, en elektronica voor telecommunicatie. Als onderdeel van het ontwikkelingsproces het NREL-team produceerde een single-junction-cel die een zeer hoge externe stralingsefficiëntie vertoonde (> 40%) - de efficiëntie waarmee de cel elektriciteit omzet in licht wanneer deze achteruit wordt gereden. Hoewel het team niet probeerde een LED-apparaat te bouwen, hun hoogwaardige kwantumbronnen toonden enig potentieel op dit gebied, te.

Strain Balancing ontgrendelt nieuw record

Eerder werk heeft geprobeerd om kwantumbronnen te gebruiken om de bandgap van zonneceljuncties aan te passen, maar het heeft geen record-efficiëntiecellen geproduceerd, deels omdat het moeilijk is om veel te kweken, vele lagen hoogwaardig kwantumbronmateriaal. Als de lagen te dik worden of de mechanische spanning in het kristalrooster niet goed in balans is, de cel ontwikkelt defecten.

Voor hun wereldrecordcel, het team wisselde lagen gallium-indiumarsenide - onder compressie - en galliumarsenidefosfide - onder spanning af. Door de dikte van deze lagen zorgvuldig te controleren, de spanning van de druk- en trekkrachten balanceert tussen lagen. Een reeks lasers werd gebruikt om de kromming van de wafel tijdens het groeiproces te meten, waardoor de onderzoekers spanning in het kristalrooster kunnen detecteren en aanpassen.

"Dit werk zal leiden tot zonnecellen met een hogere efficiëntie voor toepassingen met één zon, die een belangrijke aanjager kunnen zijn van de wijdverbreide acceptatie van deze cellen, " zei Myles Steiner, een senior wetenschapper in het NREL-team. "Nutsvoorzieningen, een belangrijke uitdaging voor de toekomst is om te leren hoe deze cellen op een kostenconcurrerende manier kunnen worden geproduceerd."

Wereldwijde samenwerking levert resultaten op

De ontwikkeling van dit celontwerp is voortgekomen uit een nauwe samenwerking tussen een deel van de High-Efficiency Crystalline Photovoltaics-onderzoeksgroep bij NREL en een team van de University of New South Wales (UNSW). In feite, Steiner verbleef begin 2020 3 maanden in New South Wales met zijn Australische medewerkers, aan het project werken als onderdeel van een subsidie ​​van het Fulbright Scholars Program.

"Onze samenwerking bracht de jarenlange expertise van NREL op het gebied van epitaxiale groei en het werk van UNSW op het gebied van zonnecelmodellering samen, die ons hielp om effectief op afstand samen te werken, " zei Nicholas Ekins-Daukes, die het UNSW-team leidde. "Ik was onder de indruk van hoe snel we de eerste composiet konden ontwikkelen, spanningsgebalanceerd halfgeleidermateriaal om beter te presteren dan een conventionele zonnecel."