منبع: solarindustrymag.com
محققان وزارت انرژی آمریکاآزمایشگاه ملی انرژی های تجدیدپذیر(NREL) یک سلول خورشیدی با بازده 39.5 درصدی در زیر نور جهانی خورشید ایجاد کرده اند. این سلول خورشیدی با بالاترین بازدهی از هر نوع است که با استفاده از شرایط استاندارد 1- خورشید اندازه گیری می شود.
Myles Steiner، دانشمند ارشد در NREL's High-Efficiency می گوید: "سلول جدید کارآمدتر است و طراحی ساده تری دارد که ممکن است برای انواع برنامه های جدید مفید باشد، مانند برنامه های کاربردی با منطقه بسیار محدود یا کاربردهای فضایی کم تابش." گروه فتوولتائیک کریستالی (PV) و محقق اصلی پروژه. او در کنار همکاران NREL رایان فرانس، جان گیز، تائو سانگ، والدو اولواریا، میشل یانگ و آلن کیبلر کار کرد.
جزئیات این توسعه در مقاله "سلول های خورشیدی با اتصال سه گانه با 39.5 درصد کارایی زمینی و 34.2 درصد کارایی فضایی که توسط ابرشبکه های ضخیم چاه کوانتومی فعال شده است" ارائه شده است، که در شماره ماه مه مجله Joule منتشر شده است.
دانشمندان NREL قبلاً در سال 2020 با یک سلول خورشیدی شش اتصالی کارآمد 39.2 درصدی با استفاده از مواد III-V رکوردی را ثبت کرده بودند.
تعدادی از بهترین سلول های خورشیدی اخیر بر اساس معماری چند پیوندی دگرگونی معکوس (IMM) که در NREL اختراع شد، ساخته شده اند. این سلول خورشیدی IMM سه اتصالی جدید بهبود یافته اکنون به نمودار بهترین کارایی سلول تحقیقاتی اضافه شده است. این نمودار که موفقیت سلولهای خورشیدی آزمایشی را نشان میدهد، شامل رکورد قبلی 37.9 درصدی IMM سه اتصالی است که در سال 2013 توسط شرکت شارپ ژاپن ایجاد شد.
بهبود راندمان به دنبال تحقیقات روی سلولهای خورشیدی «چاه کوانتومی» بود که از لایههای بسیار نازک زیادی برای اصلاح ویژگیهای سلول خورشیدی استفاده میکردند. دانشمندان یک سلول خورشیدی چاه کوانتومی با عملکرد بیسابقه توسعه دادند و آن را در دستگاهی با سه اتصال با شکافهای باند مختلف پیادهسازی کردند، جایی که هر اتصال برای گرفتن و استفاده از برش متفاوتی از طیف خورشید تنظیم شده است.
مواد III-V که به دلیل قرار گرفتن در جدول تناوبی به این نام خوانده می شوند، طیف گسترده ای از باندهای انرژی را در بر می گیرند که به آنها اجازه می دهد تا قسمت های مختلف طیف خورشیدی را هدف قرار دهند. محل اتصال بالا از فسفید گالیوم ایندیم (GaInP)، وسط آرسنید گالیم (GaAs) با چاههای کوانتومی، و پایین آن از آرسنید گالیوم ایندیم گالیم با شبکه (GaInAs) ساخته شده است. هر ماده در طول چندین دهه تحقیق بسیار بهینه شده است.
یک عنصر کلیدی این است که در حالی که GaAs یک ماده عالی است و عموماً در سلولهای چند پیوندی III-V استفاده میشود، فاصله باند کاملاً صحیحی برای سلولهای سه اتصالی ندارد، به این معنی که تعادل جریانهای نوری بین سه سلول بهینه نیست. "فرانسه، دانشمند ارشد و طراح سلول می گوید. در اینجا، ما با استفاده از چاههای کوانتومی، با حفظ کیفیت مواد عالی، شکاف باند را اصلاح کردهایم، که این دستگاه و سایر کاربردهای بالقوه را فعال میکند.»
دانشمندان از چاه های کوانتومی در لایه میانی استفاده کردند تا فاصله باند سلول GaAs را گسترش دهند و میزان نوری را که سلول می تواند جذب کند افزایش دهد. نکته مهم این است که آنها دستگاه های چاه کوانتومی ضخیم نوری را بدون افت ولتاژ عمده توسعه دادند. آنها همچنین یاد گرفتند که چگونه سلول بالایی GaInP را در طول فرآیند رشد بازپخت کنند تا عملکرد آن را بهبود بخشند و چگونه چگالی نابجایی رزوهای را در GaInAهای نامتناسب با شبکه به حداقل برسانند، که در نشریات جداگانه مورد بحث قرار گرفت. در مجموع، این سه ماده به طراحی جدید سلول کمک می کند.
سلول های III-V به دلیل کارایی بالا شناخته شده اند، اما فرآیند تولید به طور سنتی گران بوده است. تاکنون سلولهای III-V برای تامین انرژی کاربردهایی مانند ماهوارههای فضایی، وسایل نقلیه هوایی بدون سرنشین و دیگر کاربردهای خاص مورد استفاده قرار گرفتهاند. محققان در NREL در جهت کاهش شدید هزینه ساخت سلول های III-V و ارائه طرح های سلولی جایگزین کار کرده اند که این سلول ها را برای انواع کاربردهای جدید اقتصادی می کند.
سلول III-V جدید همچنین برای میزان کارآمدی آن در کاربردهای فضایی، به ویژه برای ماهوارههای ارتباطی که از سلولهای خورشیدی تغذیه میکنند و راندمان سلولی بالا برای آنها حیاتی است، آزمایش شد و با 34.2 درصد برای شروع به کار آمد. اندازه گیری عمر طراحی فعلی سلول برای محیط های کم تشعشع مناسب است و کاربردهای پرتوهای بالاتر ممکن است با توسعه بیشتر ساختار سلول فعال شود.
NREL آزمایشگاه ملی اولیه وزارت انرژی ایالات متحده برای تحقیق و توسعه انرژی های تجدیدپذیر و بهره وری انرژی است. NREL برای وزارت انرژی توسط اتحاد برای انرژی پایدار LLC اداره می شود.
