Ученые Санкт-Петербурга представили и успешно испытали инновационную технологию изготовления высокоэффективных солнечных батарей. В основе разработки лежат полупроводниковые соединения, выращенные на кремниевой подложке. Эта перспективная технология обещает увеличить эффективность преобразования солнечной энергии в полтора раза по сравнению с современными решениями при одновременном снижении себестоимости.
Вызовы солнечной энергетики
Развитие альтернативной энергетики и "зеленых технологий" сегодня в фокусе внимания исследователей. Солнечная энергетика — одно из самых перспективных направлений. Однако ее массовому внедрению мешают определенные ограничения. Традиционные кремниевые батареи обладают сравнительно невысоким КПД — около 20-25%. Технологии с большей эффективностью требуют применения сложных и дорогих полупроводниковых соединений, что существенно увеличивает стоимость солнечных элементов.
Наследие Алферова и решение от ИТМО
Исследовательская группа, объединившая специалистов Университета ИТМО, Академического университета им. Ж. И. Алферова и Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе, продемонстрировала возможность выращивания полупроводниковых структур A3B5 (материалов из элементов III и V групп таблицы Менделеева) на недорогой кремниевой подложке. Этот подход позволяет радикально снизить стоимость многокаскадных солнечных элементов. Подобная технология была предсказана нобелевским лауреатом Жоресом Алферовым.
Преодоление сложностей синтеза
"Ключевая задача при синтезе полупроводников на кремнии — добиться совпадения параметров кристаллической решетки, — поясняет Иван Мухин, соавтор исследования, сотрудник ИТМО и заведующий лабораторией Академического университета. — Атомы материала должны располагаться на таком же расстоянии друг от друга, как и атомы кремния."
Полупроводников, отвечающих этому условию, немного. Один из них — фосфид галлия (GaP). Однако он сам по себе плохо поглощает солнечный свет. Добавление азота в GaP создает материал GaPN. Даже при малых концентрациях азота GaPN становится прямозонным полупроводником с отличной светопоглощающей способностью и возможностью интеграции на кремний. При этом кремний выступает не только основой, но и активным слоем, поглощающим инфракрасное излучение.
Первые успехи и путь к многослойным структурам
В лабораторных условиях ученым удалось создать верхний фотоактивный слой солнечной батареи, интегрированный на кремниевую подложку. Увеличение числа таких слоев, каждый из которых эффективно поглощает свою часть солнечного спектра, приведет к значительному росту общей эффективности батареи.
Пока создан первый компактный прототип солнечного элемента на основе структур A3B5 на кремнии. Следующая амбициозная задача команды — разработка элементов с несколькими фотоактивными слоями для максимального поглощения света и генерации электроэнергии.
Яркие перспективы GaPNAs
"Мы освоили выращивание верхнего слоя, — отмечает Иван Мухин. — Эта система материалов перспективна и для промежуточных слоев. Добавление мышьяка дает соединение GaPNAs, позволяющее формировать на кремниевой подложке несколько каскадов, работающих в разных областях спектра. Наши предыдущие исследования показывают, что потенциальная эффективность таких батарей может превышать 40%, что в полтора раза выше современных кремниевых аналогов."
Изображение: abidal/Фотобанк RU.123.RF
Источник: scientificrussia.ru
