Ученые из Школы технических и прикладных наук (School of Engineering and Applied Science, SEAS) университета Джорджа Вашингтона разработали и изготовили опытные образцы новых фотогальванических ячеек солнечных батарей. Структура этих ячеек является комбинацией нескольких разнотипных структур, что дает новой ячейке возможность эффективно поглощать и преобразовывать в электричество энергию всего спектра солнечного света. В настоящее время эффективность опытных образцов новых ячеек составляет 44.5 процента, что позволит изготовить на их основе самые эффективные солнечные батареи в мире.
Подход, использованный исследователями при создании ячейки нового типа, отличается от подхода к производству традиционных солнечных батарей, устанавливаемых на крышах зданий, к примеру. В этих ячейках использован так называемый фотогальванический концентратор (concentrator photovoltaic, CPV), в котором используются крошечные линзы для того, чтобы сфокусировать весь солнечный свет на поверхность микроскопических фотогальванических элементов. Производство этих крошечных элементов, площадь которых составляет около одного квадратного миллиметра, может обходиться по более низкой стоимости, нежели производство кремниевых элементов с большой площадью.
Структура фотогальванической ячейки действует, словно сито для солнечного света. Материал каждого слоя поглощает только свет в определенном диапазоне, а весь остальной свет почти беспрепятственно проникает на большую глубину. К тому времени, как остатки света добираются до подложки ячейки, почти половина энергии этого света преобразовывается в электричество. Для сравнения, самые лучшие образцы промышленно выпускаемых солнечных батарей преобразовывают в электричество не более четверти энергии падающего на них света.
“Приблизительно 99 процентов энергии, содержащейся в солнечном свете, заключено в диапазоне длин волн между 250 и 2500 нанометров. Материалы, используемые в обычных солнечных батареях, не могут охватить весь этот диапазон, поддерживая эффективность на должном уровне” – рассказывает Мэтью Ламб (Matthew Lumb), ведущий исследователь, – “Наше же новое устройство эффективно поглощает энергию даже тех диапазонов, которые “теряются” в обычных солнечных батареях”
Структура новой фотогальванической ячейки состоит из семи слоев различных материалов, помещенные на основание из антимонида галлия (GaSb), вещества, используемого обычно в подложках для фотосенсоров и полупроводниковых инфракрасных лазеров. Среди слоев материалов встречаются и материалы, используемые в традиционных солнечных батареях, эффективно поглощающие более коротковолновые фотоны света.
Для изготовления ячейки исследователи использовали метод шаблонной печати, при помощи которой была получена высокая точность изготовления сложной трехмерной структуры. Из-за сложной технологии производства и использования некоторых “непростых” материалов, стоимость фотогальванических ячеек нового типа весьма высока, однако, как считают исследователи, высокая эффективность стоит таких затрат. И в будущем, когда появятся новые менее дорогостоящие технологии производства и найдутся замены дорогостоящим материалам, новые ячейки смогут стать тем средством, которое обеспечить прорыв в области солнечной энергетики.
