Петербургские ученые создали высокоэффективные солнечные батареи

Ученые из Санкт-Петербурга предложили и экспериментально опробовали технологию создания высокоэффективных солнечных батарей на основе полупроводниковых соединений на кремниевой подложке, которые в будущем могут иметь эффективность в полтора раза больше и при этом более низкую себестоимость, чем нынешние фотовольтаические преобразователи. Описание технологии приведено в журнале Solar Energy Materials and Solar Cells. 

Сегодня ученые все больше внимания уделяют развитию альтернативной энергетики и так называемых «зеленых технологий». Одна из самых популярных среди них — солнечная энергетика. Однако более широкому использованию солнечных батарей препятствует ряд проблем. Ставшие традиционными кремниевые солнечные батареи имеют сравнительно небольшую эффективность — около 20-25 процентов. 

Более эффективные технологии требуют заметно более сложных полупроводниковых соединений, что значительно повышает цену самих солнечных элементов. Исследователи из Университета ИТМО, Академического университета им. Ж. И. Алферова и Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе показали, что полупроводниковые A3B5 структуры — материалы, состоящие из элементов III и V групп Периодической системы — можно вырастить на дешевой кремниевой подложке, что позволит существенно сократить стоимость многокаскадного солнечного элемента. 

Появление подобной технологии некогда было предсказано нобелевским лауреатом Жоресом Ивановичем Алферовым. «Главная сложность синтеза полупроводниковых соединений на кремниевой подложке состоит в том, что полупроводник должен обладать таким же параметром кристаллический решетки, как у кремния, — приводятся в пресс-релизе слова одного из авторов исследования Ивана Мухина, сотрудника ИТМО и заведующего лабораторией Академического университета. 

— Грубо говоря, атомы этого материала должны находиться на таком же расстоянии друг от друга, что и атомы кремния. К сожалению, полупроводников, отвечающих этому требованию, немного. К примеру — фосфид галлия (GaP). Однако сам он не очень подходит для создания солнечных элементов, так как плохо поглощает солнечный свет. Но вот если взять фосфид галлия и добавить азот, мы получим раствор GaPN. Уже при малых концентрациях азота данный материал становится прямозонным и хорошо поглощает свет, он может быть интегрирован на кремниевую подложку. При этом кремний является не просто фундаментом, на который синтезируется фотоматериал, но и сам может выступать одним из фотоактивных слоев солнечного элемента, поглощающим света в ИК-диапазоне». 

В лаборатории ученым удалось получить верхний слой солнечной батареи, интегрированный на кремниевую подложку. Если таких фотоактивных слоев будет больше, то и эффективность солнечной батареи станет существенно выше, так как каждый слой будет эффективно поглощать свою часть солнечного спектра. Пока в лаборатории был создан первый небольшой прототип солнечной батареи на основе элементов А3В5 на кремниевой подложке. 

Сейчас перед учеными стоит задача создать элементы, имеющие в своем составе несколько фотоактивных слоев. Такие солнечные батареи заметно эффективнее поглощают солнечный свет и генерируют электрическую энергию. «Мы научились растить самый верхний слой. Эта система материалов потенциально может быть использована и для промежуточных слоев. 

Если добавить мышьяк, то получится GaPNAs — из него на кремниевой подложке можно вырастить несколько каскадов, работающих в разных частях солнечного спектра. Как показали наши предыдущие работы, потенциально эффективность таких солнечных батарей может превышать 40 процентов, то есть быть в полтора раза выше, нежели в современных кремниевых технологиях», — отмечает Иван Мухин.

Оригинал: https://russia-made.ru/energet...