Quelle: solarindustrymag.com
Forscher des US-EnergieministeriumsNationales Labor für erneuerbare Energien(NREL) haben eine Solarzelle mit einem Rekordwirkungsgrad von 39,5% unter 1-Sonnen-Weltbeleuchtung entwickelt. Dies ist die solarzelle mit dem höchsten Wirkungsgrad aller Typen, gemessen unter Verwendung von Standard-1-Sonnen-Bedingungen.
"Die neue Zelle ist effizienter und hat ein einfacheres Design, das für eine Vielzahl neuer Anwendungen nützlich sein kann, wie z.B. Anwendungen mit starker Flächenbeschränkung oder strahlungsarme Weltraumanwendungen", sagt Myles Steiner, leitender Wissenschaftler in der High-Efficiency Crystalline Photovoltaics (PV) Group von NREL und Hauptforscher des Projekts. Er arbeitete mit NREL-Kollegen Ryan France, John Geisz, Tao Song, Waldo Olavarria, Michelle Young und Alan Kibbler zusammen.
Details der Entwicklung sind in dem Artikel "Triple-junction solar cells with 39.5% terrestrial and 34.2% space efficiency enabled by thick quantum well superlattices" beschrieben, der in der Mai-Ausgabe der Zeitschrift Joule erscheint.
NREL-Wissenschaftler haben zuvor im Jahr 2020 mit einer 39,2% effizienten Sechsfachsolarzelle aus III-V-Materialien einen Rekord aufgestellt.
Einige der besten Solarzellen der letzten Zeit basieren auf der invertierten metamorphen Multijunction-Architektur (IMM), die bei NREL erfunden wurde. Diese neu verbesserte Triple-Junction-IMM-Solarzelle wurde jetzt in die Best Research-Cell Efficiency Chart aufgenommen. Die Grafik, die den Erfolg experimenteller Solarzellen zeigt, enthält den vorherigen IMM-Rekord mit drei Verbindungen von 37,9%, der 2013 von der Sharp Corporation of Japan aufgestellt wurde.
Die Verbesserung der Effizienz folgte der Erforschung von "Quantenbrunnen" -Solarzellen, die viele sehr dünne Schichten verwenden, um die Eigenschaften von Solarzellen zu modifizieren. Die Wissenschaftler entwickelten eine Quantenbrunnensolarzelle mit beispielloser Leistung und implementierten sie in ein Gerät mit drei Verbindungen mit unterschiedlichen Bandlücken, bei dem jede Verbindung darauf abgestimmt ist, eine andere Scheibe des Sonnenspektrums zu erfassen und zu nutzen.
Die III-V-Materialien, die so genannt werden, weil sie im Periodensystem liegen, umfassen eine breite Palette von Energiebandlücken, die es ihnen ermöglichen, verschiedene Teile des Sonnenspektrums anzusprechen. Die obere Verbindung besteht aus Galliumindiumphosphid (GaInP), die Mitte von Galliumarsenid (GaAs) mit Quantentöpfen und die Unterseite aus gitterartigem Galliumindiumarsenid (GaInAs). Jedes Material wurde in jahrzehntelanger Forschung hochgradig optimiert.
"Ein Schlüsselelement ist, dass GaAs zwar ein ausgezeichnetes Material ist und im Allgemeinen in III-V-Multijunction-Zellen verwendet wird, aber nicht ganz die richtige Bandlücke für eine Drei-Junction-Zelle hat, was bedeutet, dass das Gleichgewicht der Photoströme zwischen den drei Zellen nicht optimal ist", kommentiert France, Senior Scientist und Zelldesigner. "Hier haben wir die Bandlücke modifiziert und gleichzeitig eine hervorragende Materialqualität durch die Verwendung von Quantentöpfen beibehalten, was dieses Gerät und möglicherweise andere Anwendungen ermöglicht."
Die Wissenschaftler nutzten Quantentöpfe in der mittleren Schicht, um die Bandlücke der GaAs-Zelle zu vergrößern und die Lichtmenge zu erhöhen, die die Zelle absorbieren kann. Wichtig ist, dass sie optisch dicke Quantenwell-Bauelemente ohne größeren Spannungsverlust entwickelten. Sie lernten auch, wie man die GaInP-Top-Zelle während des Wachstumsprozesses glüht, um ihre Leistung zu verbessern, und wie man die Gewindedislokationsdichte in gitterartig nicht übereinstimmenden GaInAs minimiert, die in separaten Publikationen diskutiert wird. Insgesamt fließen diese drei Materialien in das neuartige Zelldesign ein.
III-V-Zellen sind bekannt für ihre hohe Effizienz, aber der Herstellungsprozess war traditionell teuer. Bisher wurden III-V-Zellen verwendet, um Anwendungen wie Weltraumsatelliten, unbemannte Luftfahrzeuge und andere Nischenanwendungen anzutreiben. Forscher am NREL haben daran gearbeitet, die Herstellungskosten von III-V-Zellen drastisch zu senken und alternative Zelldesigns bereitzustellen, die diese Zellen für eine Vielzahl neuer Anwendungen wirtschaftlich machen werden.
Die neue III-V-Zelle wurde auch getestet, wie effizient sie in Weltraumanwendungen wäre, insbesondere für Kommunikationssatelliten, die von Solarzellen betrieben werden und für die ein hoher Zellwirkungsgrad entscheidend ist, und lag bei 34,2% für eine Anlaufmessung. Das derzeitige Design der Zelle eignet sich für Umgebungen mit geringer Strahlung, und Anwendungen mit höherer Strahlung können durch die Weiterentwicklung der Zellstruktur ermöglicht werden.
NREL ist das wichtigste nationale Labor des US-Energieministeriums für Forschung und Entwicklung im Bereich erneuerbare Energien und Energieeffizienz. NREL wird für das Energieministerium von der Alliance for Sustainable Energy LLC betrieben.
