(Phys.org)—Wetenschappers hebben een nieuwe multijunction-zonnecel ontworpen die, in simulaties, kan een efficiëntie van 51,8% behalen. Deze hoge prestatie overtreft het huidige doel van 50% efficiëntie in multi-junction zonnecelonderzoek, evenals het huidige wereldrecord van 43,5% voor een 3-junction zonnecel.

Het werk werd uitgevoerd door een samenwerking van onderzoekers van het California Institute of Technology in Pasadena; het National Institute of Standards and Technology in Gaithersburg, Maryland; de Universiteit van Maryland in College Park; en Boeing Spectrolab, Inc., in Sylmar, Californië. Het team publiceerde een paper over hun werk in een recent nummer van Technische Natuurkunde Brieven .

Zoals de onderzoekers uitleggen, multijunction-zonnecellen zijn een van de meest veelbelovende apparaten om zonlicht efficiënt om te zetten in elektriciteit. In multijunction-zonnecellen, elke junctie of subcel absorbeert en converteert zonlicht uit een specifiek gebied van het spectrum. De subcellen kunnen op elkaar worden gestapeld, zodat zonlicht als eerste de subcel met de hoogste bandgap raakt, die is afgestemd op licht met de kortste golflengten of hoogste energieën. De langere golflengten gaan door de eerste subcel en treffen de lagere bandgap-subcellen.

Deze opstelling biedt een aanzienlijk voordeel ten opzichte van single-junction zonnecellen, die een maximale theoretische efficiëntie van slechts 34% hebben. In theorie, een "infinite-junction" zonnecel heeft een maximaal theoretisch rendement van bijna 87%. Maar om dit niveau te benaderen, multijunction zonnecellen hebben niet alleen meerdere subcellen nodig, maar optimale halfgeleidermaterialen voor de subcellen om een ​​combinatie van bandhiaten te bieden die een zo groot mogelijk deel van het zonnespectrum bestrijken.

Om de huidige beste multijunction-zonnecellen te verbeteren, de onderzoekers richtten zich hier op het verbeteren van de huidige match tussen de verschillende subcellen, samen met het gebruik van een op het rooster afgestemd ontwerp. Beide factoren hebben eerder een beperkte efficiëntie van multijunction-zonnecellen tot gevolg gehad.

"De roosterovereenkomst komt overeen met de aanpassing tussen de kristaleenheidscellen van de verschillende subcellen, " hoofdauteur Marina Leite, een energie-onderzoeker bij het National Institute of Standards and Technology, vertelde Phys.org . "Door subcellen te gebruiken die op het rooster zijn afgestemd, we kunnen dislocaties en andere kristaldefecten minimaliseren die de prestaties van het apparaat aanzienlijk kunnen beïnvloeden. Een stroomaanpassing is vereist voor tandemconfiguraties met twee aansluitingen, omdat in dit geval een enkele stroom door alle subcellen gaat en de spanningen worden opgeteld; daarom, als een subcel minder fotostroom heeft, zal dit de stroom beperken die door het hele apparaat wordt gegenereerd. De huidige match is gewenst, zodat elke individuele subcel op zijn eigen maximale krachtpunt werkt."

De onderzoekers voerden simulaties op het volledige apparaat uit om de potentiële efficiëntie van de zonnecel te onderzoeken. Voor elke laag in de modellering, ze beschouwden tal van factoren, zoals materiaalsamenstelling, roosterconstante, dikte, diëlektrische constante, elektronenaffiniteit, bandkloof, effectieve geleiding en valentiebanddichtheden, elektronen- en gatenmotiliteiten, de dopingconcentratie van ondiepe acceptanten en donoren, de thermische snelheid van elektronen en gaten, de legeringsdichtheid, Auger recombinatie voor elektronen en gaten, directe band-naar-band recombinatie, en hoeveel fotonen met een specifieke golflengte worden geabsorbeerd en gereflecteerd door elke laag op basis van zijn diëlektrische eigenschappen.

Rekening houdend met al deze factoren, de simulaties toonden aan dat het ontwerp met 3 knooppunten een efficiëntie van 51,8% kon bereiken onder 100-zonverlichting, een grote verbetering ten opzichte van de huidige beste 43,5% efficiëntie onder 418 zonnen verlichting. Alle drie de subcellen in het nieuwe ontwerp hadden een maximale externe kwantumefficiëntie van 80% en absorbeerden licht uit een breed spectrum van het spectrum.

"De multijunction-zonnecellen worden getest onder verschillende aantallen zonnen omdat ze vaak worden gebruikt in fotovoltaïsche concentratorsystemen, waarmee we de grootte of het aantal benodigde cellen kunnen verminderen, " legde Leite uit. "Deze strategieën tolereren het gebruik van duurdere halfgeleidermaterialen, die anders onbetaalbaar zouden zijn. De resultaten zijn zeker met elkaar te vergelijken, zolang de verlichtingsbronnen goed gekalibreerd zijn."

De onderzoekers bouwden ook een proof-of-principle zonnecel met een gelijkwaardig ontwerp, die ze fabriceerden op een indiumfosfide (InP) substraat. De zonnecel is niet geoptimaliseerd, dus de efficiëntie was verre van de theoretische voorspelling, maar de resultaten toonden niettemin het vermogen aan om het ontwerp experimenteel te realiseren. De wetenschappers voorspellen dat, met verdere verbeteringen, deze equivalente zonnecel met 3 knooppunten zou een praktisch rendement van ongeveer 20% kunnen hebben onder 1-zonverlichting.

"[De gefabriceerde zonnecel] vertoont een slechte huidige match, maar toont ons vermogen aan om hoogwaardige halfgeleiderverbindingen te kweken met een extreem lage dichtheid van defecten en stoichiometrie die zeer dicht in de buurt komt van wat nodig is voor het geoptimaliseerde ontwerp, " zei Leite. "Het voor bandgap geoptimaliseerde ontwerp wordt gevormd door dezelfde klasse legeringen, en heeft een geweldige huidige match. Dus, bij optimalisatie van antireflectiecoatings en andere ontwerpparameters, de simulaties geven aan dat men meer dan 50% kan bereiken onder geconcentreerd zonlicht."

Naast een geoptimaliseerde antireflectiecoating, enkele van de andere verbeteringen kunnen betrekking hebben op het toevoegen van venster- en achteroppervlaklagen om verlies te verminderen en het verdikken van de onderste twee subcellen om licht met een lange golflengte vollediger te absorberen.

"Ik ben erg enthousiast over onze eerste resultaten met betrekking tot een voor bandgap geoptimaliseerd ontwerp, Leite zei. "In de nabije toekomst ben ik van plan te werken aan de integratie van het geoptimaliseerde ontwerp in de eenkristalsjabloon om een ​​eerste monolithische (1,93 eV)InAlAs/(1,39 eV) InGaAsP/(0,94 eV)InGaAs zonne-energie te fabriceren. cel. Tegelijkertijd, we onderzoeken antireflectiecoatingopties voor de InAlAs-topsubcel, waarvoor een zuurstofvrij materiaal of de combinatie van een oxide en een sulfide als beschermende laag nodig is."

Copyright 2013 Phys.org
Alle rechten voorbehouden. Dit materiaal mag niet worden gepubliceerd, uitzending, geheel of gedeeltelijk herschreven of herverdeeld zonder de uitdrukkelijke schriftelijke toestemming van Phys.org.