Солнечные элементы прошли долгий путь, но недорогие тонкопленочные солнечные элементы по-прежнему намного отстают по эффективности от более дорогих кристаллических солнечных элементов. Теперь группа исследователей предполагает, что использование двух тонких пленок из разных материалов может стать способом создания доступных тонкопленочных элементов с эффективностью около 34%.

«Десять лет назад я очень мало знал о солнечных элементах, но мне стало ясно, что они очень важны», — сказал Ахлеш Лахтакиа, профессор Университета Эвана Пью и профессор инженерных наук и механики Чарльза Годфри Биндера в Пенсильвании.

Исследуя поле, он обнаружил, что исследователи подошли к солнечным элементам с двух сторон: с оптической стороны, глядя на то, как собирается солнечный свет, и с электрической стороны, глядя на то, как собранный солнечный свет преобразуется в электричество. Исследователи оптики стремятся оптимизировать улавливание света, а исследователи электротехники стремятся оптимизировать преобразование в электричество, причем обе стороны упрощают другую.

«Я решил создать модель, в которой как электрические, так и оптические аспекты будут рассматриваться одинаково», — сказал Лахтакия. «Нам нужно было повысить фактическую эффективность, потому что, если эффективность ячейки меньше 30%, это не будет иметь никакого значения». Исследователи сообщают о своих результатах в недавнем выпуске Applied Physics Letters.

Лахтакия — теоретик. Он не делает тонкие пленки в лаборатории, а создает математические модели для проверки возможностей конфигураций и материалов, чтобы другие могли проверить результаты. Проблема, по его словам, заключается в том, что математическая структура оптимизации оптики и электрики сильно различается.

Солнечные батареи кажутся простыми устройствами, пояснил он. Прозрачный верхний слой позволяет солнечному свету падать на слой преобразования энергии. Материал, выбранный для преобразования энергии, поглощает свет и создает потоки отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных дырок, движущихся в противоположных направлениях.

Частицы с различным зарядом переносятся в верхний контактный слой и нижний контактный слой, которые направляют электричество из ячейки для использования. Количество энергии, которую может производить клетка, зависит от количества собранного солнечного света и способности преобразовательного слоя. Различные материалы реагируют и преобразуют свет с разной длиной волны.

«Я понял, что для повышения эффективности нам нужно поглощать больше света», — сказал Лахтакия. «Для этого нам пришлось особым образом сделать впитывающий слой неоднородным».

Этот особый способ заключался в использовании двух разных абсорбирующих материалов в двух разных тонких пленках. Исследователи выбрали коммерчески доступные CIGS — диселенид меди, индия, галлия — и CZTSSe — селенид меди, цинка, олова и серы — для слоев. Сама по себе эффективность CIGS составляет около 20%, а CZTSSe — около 11%.

Эти два материала работают в солнечном элементе, потому что структура обоих материалов одинакова. По словам Лахтакии, у них примерно одинаковая структура решетки, поэтому их можно выращивать друг на друге, и они поглощают разные частоты спектра, поэтому их эффективность должна повышаться.

«Это было потрясающе», — сказал Лахтакия. «Вместе они произвели солнечный элемент с эффективностью 34%. Это создает новую архитектуру солнечных батарей — слой за слоем. Другие, кто действительно может делать солнечные элементы, могут найти другие составы слоев и, возможно, добиться большего успеха».

По словам исследователей, следующий шаг — создать их экспериментально и посмотреть, какие есть варианты, чтобы получить окончательные, наилучшие ответы.