Многопереходные солнечные элементы можно получить, используя лишь один материал

Специалисты по материаловедению нашли способ создать многопереходные солнечные элементы, которые поглощают лучи разных сегментов солнечного спектра и при этом производятся с использованием лишь одного компонента.

Создавая и обжигая цинко-оловянный фосфид (ZnSnP₂) при определенной температуре, ученые смогли внести в его структуру такую беспорядочность, которая позволяет получать различные запрещенные энергетические зоны.

«Существуют различные способы использования свойств этого соединения: во-первых, можно попытаться повысить эффективность солнечных элементов на кремниевой основе – или же создать тонкопленочные фоточувствительные элементы», - утверждает Арон Уолш из университета Бата (Великобритания). – Как правило, для производства тонкопленочных солнечных элементов используют теллурид кадмия или полупроводниковый материал, состоящий из меди, индия, галлия и селена. Цинко-оловянный фосфид может стать более доступной альтернативой этим материалам». 

В многопереходных солнечных элементах используются комбинации экзотических, редких веществ – таких, как германий, галлий и индий – каждое из которых характеризуется конкретной шириной запрещённой энергетической зоны, поглощающей лишь определенную часть солнечного спектра. Поэтому энергетические потери сравнительно малы, а коэффициент преобразования, наоборот, весьма высок.

Однако в связи со своей высокой стоимостью многопереходные солнечные элементы нашли применение преимущественно в космической промышленности. Они используются в виде крошечных чипов в концентрированных фотогальванических приборах для обеспечения энергией спутниковых систем. Именно поэтому в последнее время все более пристальное внимание уделяется более дешевым и доступным материалам.

«Я работаю над комбинациями из цинка и олова последние пять лет. Мне кажется, эти материалы отлично подходят для создания солнечных элементов - особенно в Великобритании, которая обладает значительными природными запасами цинка и олова, до сих пор не использовавшимися в промышленных масштабах», - заявляет Уолш.

Уолш – совместно со своим коллегой из Университетского колледжа Лондона – обнаружил, что создание и обжиг цинко-оловянного фосфида при определенной температуре приводит к изменениям в структуре вещества. А именно, при 990 градусах Кельвина (более 700°С) происходит переход от так называемой халькопиритной структуры в более беспорядочное сфалеритное состояние.

В этом хаотичном состоянии материал обладает запрещенной зоной в  0,75 электрон-вольт, которая может поглощать частицы из низкоэнергетического сегмента солнечного спектра – например,  инфракрасные фотоны – которые не могут быть аккумулированы традиционными солнечными элементами с одним переходом.

Изучая различные уровни беспорядочности в образцах цинко-оловянного фосфида, исследователи обнаружили, что хотя структура и стала более хаотичной, постоянная решетки осталась той же. В итоге, ученые пришли к выводу, что они смогут наложить различные слои друг на друга и создать, таким образом, многопереходное устройство.

В данный момент ученые сконцентрировали свое внимание на создании опытных образцов солнечных элементов. Главная трудность заключается в установлении варьирующих температурных режимов при изменении масштаба. Чтобы достичь этого, по словам Уолша, можно использовать такую приобретающую популярность методику, как атомно-слоевое осаждение.

«По моему мнению, наиболее эффективным станет недорогой солнечный элемент с тройным переходом, - заявляет Уолш. – Если переходов слишком много, свет не может проделать весь путь, и приходится прибегать к концентрации света. Поэтому если вы хотите, чтобы солнечный элемент эффективно работал на улице, даже когда немного облачно, не стоит создавать слишком много слоев».

TheEngineer, перевод с английского – Наталья Пристром

http://www.theengineer.co.uk/sectors/energy-and-environment/news/multi-junction-solar-cells-come-from-just-one-compound/1013023.article