Исследователи обрисовывают путь для тандемных солнечных элементов

Комбинация перовскита и кремния дала высокоэффективную тандемную солнечную батарею.Кредит: Деннис Шредер, Нрел

Как указывали исследователи в статье в журнале Joule, значительно больше солнечной энергии должно быть добавлено во всем мире за пределами установленной в настоящее время 1 тераватт мощности.Из -за растущей популяции и увеличения электрификации всех энергетических секторов эксперты прогнозируют, что мир потребуется 75 тераватт фотоэлектрических (PV) к 2050 году.

Подавляющее большинство солнечных модулей, используемых сегодня, полагаются на один соединение, который способен поглощать только часть солнечного спектра и, следовательно, ограничивается тем, насколько эффективными они могут быть.Солнечные элементы тандем, которые состоят из двух или более соединений, обладают потенциалом для достижения гораздо более высокой эффективности.Поскольку тандемы сложены друг на друга, общая площадь, которую требует модуля, модуля, в свою очередь, повышение эффективности и потенциально снижение общей стоимости системы.

Кирстин Альбери, ведущий автор журнальной статьи под названием «Дорожная карта для тандемной фотоэлектрики»,-сказал высокоэффективные солнечные батареи III-V, которые были доступны на протяжении десятилетий, но в небольших масштабах и в первую очередь для космических применений, таких как мощные спутники.

Альбери, директор Центра материаловедения в NREL, сказал, что новые типы гибридных тандемных модулей с использованием более масштабируемых фотоэлектрических технологий в настоящее время находятся в разработке как крупных производителей, так и стартап-компаний », но мы не знаем о том, которые производятся массовыми и продаваемымикоммерчески “.

Альбери и ее 17 соавторов пытаются стимулировать исследователей и производителей сотрудничать с целью быстрого продвижения к массовому производству тандемов.

Они изложили достижения, которые должны быть достигнуты:

Дорожная карта фокусируется на гибридных тандемах, где объединяются две или более различные технологии фотоэлектрических технологий, чтобы обеспечить максимальную эффективность.Благодаря множеству материалов, предназначенных для поглощения солнечного света, количество комбинаций для создания тандемов в изобилии.Эти материалы разделены на две группы: лучше всего как верхние клетки, а те, которые лучше всего как нижние ячейки.

Правильное соответствие между двумя соединениями увеличивает количество солнечного света, которое поглощается и преобразуется в электричество.Например, верхняя солнечная батарея из металлических галогенидов может повысить производительность одного солнечного элемента кремния с одним соединением.

«Металлические галогениды перовскиты рассматриваются как первоначальный фактор гибридных тандемы с точки зрения затрат и эффективности», - сказал Альбери.«Они обеспечивают достаточно высокую эффективность в качестве верхней ячейки, а также достаточно экономически эффективны, чтобы включить, что тандем будет иметь гораздо более высокую эффективность, чем односменные ячейки любой технологии».

Термин «Перовскит» относится к кристаллической структуре, а не к конкретному элементу, такому как кремний.Исследования продолжаются в долгосрочной стабильности солнечных элементов перовскита, которые, как было показано, чрезвычайно эффективны.Перовскиты также проще и дешевле в производстве, чем многие другие солнечные технологии.

Тандемная дорожная карта защитников, рассматривая потенциал других материалов в качестве верхней ячейки.Арсенид галлия (GAAS) и фосфид индия Gallium (GAINP) являются кандидатами, поскольку они имеют самую высокую эффективность устройств с одним соединением.Однако основным недостатком их использования является расходы.Исследователи в NREL изучают более дешевые методы производства.

Исследователи заявили, что очевидным материалом для нижней ячейки является кремний, который доминирует в солнечной промышленности.Тандем, изготовленный из верхней металлической перовскитной ячейки и нижней кремниевой ячейки, в настоящее время содержит запись для эффективности.

По словам Эмили Уоррен, сотрудника, ученый из высокоэффективной кристаллической фотоэлектрической группы в Nrel и соавтором газеты с дорожной картой, в тандем возникает дополнительные проблемы,-соавтор высокоэффективной кристаллической фотоэлектрической группы в NREL и соавтор бумаги дорожной карты.

«Для одновременных фотоэлектрических материалов модули производятся путем взаимосвязанного соединения отдельных ячеек в сбоке последовательно»,-сказала она.«Для тандемов существует множество вариантов соединения ячеек, что обеспечивает еще один слой сложности для конструкции тандемных модулей».

Только три PV-технологии с одним соединением успешно масштабировались, по крайней мере, до гигаватта производства.В дополнение к кремнию, вторжения были сделаны солнечными элементами, изготовленными из медного индий -галлия, диселенида галлия (CIGS) и из теллурида кадмия (CDTE).CIGS подходит для нижней ячейки и CDTE в качестве вершины.

Исследователи заявили, что контраст в траекториях коммерциализации между кремниевыми и тонкопленочными клетками, изготовленными из CIGS и CDTE, дает представление о проблемах, которые необходимо преодолеть, чтобы создать тандемную технологию в масштабе Гигаватт.Силикон PV выиграл от крупных инвестиций со стороны полупроводникового сообщества, что привело к общим знаниям и стандартизированным процессам.

Компании, специализирующиеся на CIGS и CDTE, однако, тщательно охраняли свои процессы и методы осаждения, пытаясь добиться успеха против силиконового PV.

Дорожная карта предлагает совместные усилия, такие как консорциум, аналогичный тем, который был создан для повышения производства перовскитов и солнечных панелей CDTE.Это объединит отрасль и исследователей «для обсуждения общих вопросов и обмениваться извлеченными уроками», согласно документу дорожного карты.Некоторые консорциумы уже работают над тандемами в перовските.

“Существующие консорциумы оказались чрезвычайно полезными в разработке и коммерциализации технологий PV с одним соединением, потому что они могут помочь в обмене информацией, выступая за перекрестные исследования, которые помогут на местах в целом, и сосредоточить более крупные наборы заинтересованных сторонРаботайте вместе, чтобы решить проблемы, которые влияют на всю область », - сказал Альбери.

«Мы думаем, что консорциумы могут сыграть аналогичную роль в разработке гибридных тандемов, особенно потому, что мы все еще находимся в начале фазы коммерциализации этой технологии».

Больше информации: Kirstin Alberi et al., Дорожная карта для Tandem Photoltaics, Joule (2024).Doi: 10.1016/j.joule.2024.01.017