Ученые из Санкт-Петербурга предлагают технологию, позволяющую снизить стоимость высокоэффективных солнечных элементов

19.02.2020

руппа петербургских ученых предложила и экспериментально опробовала технологию изготовления высокоэффективных солнечных элементов на основе полупроводников A3B5, встроенных в кремниевую подложку. В будущем это может повысить эффективность существующих однопереходных фотоэлектрических преобразователей в полтора раза. Развитие данной технологии прогнозировал нобелевский лауреат Жорес Алферов. Результаты работы ученых были опубликованы в журнале Solar Energy Materials and Solar Cells.
снизить стоимость высокоэффективных солнечных элементов
В связи с быстрым истощением запасов углеводородного топлива и растущим беспокойством по поводу экологических проблем наших дней, ученые все больше внимания уделяют разработке «зеленых технологий». Одной из самых популярных тем в этой области является развитие технологий солнечной энергии.
Более широко применять солнечные панели мешают сразу несколько факторов. Обычные кремниевые солнечные модули имеют относительно низкий КПД - менее 20%. А более эффективные технологии требуют гораздо более сложных полупроводниковых технологий, что существенно поднимает стоимость элементов.
Ученые из Университета ИТМО, Санкт-Петербургского академического университета и Института Иоффе показали, что структуры A3B5 можно выращивать на недорогой кремниевой подложке, таким образом снижая стоимость многопереходных солнечных элементов.
Иван Мухин, исследователь Университета ИТМО, руководитель лаборатории Академического университета и соавтор исследования говорит: «Наша работа направлена на разработку эффективных солнечных элементов на основе материалов A3B5, интегрированных в кремниевую подложку. Главная сложность в эпитаксиальном синтезе на кремниевой подложке заключается в том, что осажденный полупроводник должен иметь тот же параметр кристаллической решетки, что и кремний. Грубо говоря, атомы этого материала должны находиться на том же расстоянии друг от друга, что и атомы кремния». 
К сожалению, пока есть только несколько полупроводников, которые отвечают этому требованию - один пример - фосфид галлия (GaP). Но он не очень подходит для изготовления солнечных элементов, поскольку обладает плохой способностью поглощать солнечный свет. Но если взять GaP и добавить азот (N), можно получить решение GaPN. Даже при низких концентрациях N этот материал демонстрирует свойство прямой полосы и отлично поглощает свет, а также обладает способностью интегрироваться в кремниевую подложку.  Кремний не только служит строительным материалом для фотоэлектрических слоев - он сам может действовать как один из фотоактивных слоев солнечного элемента, поглощая свет в инфракрасном диапазоне. Одним из первых озвучил идею объединения структур ASB5 и кремния нобелевский лауреат Жорес Алферов.
Ученым удалось получить верхний слой солнечного элемента, интегрированный в кремниевую подложку, в условиях лаборатории. С увеличением числа фотоактивных слоев эффективность солнечного элемента растет, так как каждый слой поглощает свою часть солнечного спектра.
На данный момент исследователи разработали первый небольшой прототип солнечного элемента на основе A3B5 на кремниевой подложке. Сейчас они работают над созданием солнечного элемента, который бы состоял из нескольких фотоактивных слоев. Такие солнечные элементы будут значительно эффективнее поглощать солнечный свет и генерировать электричество.
«Мы научились выращивать самый верхний слой. Эта материальная система потенциально может использоваться для промежуточных слоев. Если вы добавите мышьяк, то получите сплав четвертичного GaPNAs, и из него можно вырастить несколько соединений, работающих в разных частях солнечного спектра. на кремниевой подложке. Как было показано в нашей предыдущей работе, потенциальная эффективность таких солнечных элементов может превышать 40% при концентрации света, что в 1,5 раза выше, чем у современных технологий Si» - заключает Иван Мухин.