Forskare från U.S. Department of Energy's National Renewable Energy Laboratory (NREL) och University of New South Wales uppnådde en ny världsrekordeffektivitet för solceller med två korsningar, skapa en cell med två ljusabsorberande lager som omvandlar 32,9 % av solljuset till elektricitet.

Nyckeln till cellens design är en serie av mer än 150 ultratunna lager av alternerande halvledare som skapar kvantbrunnar i cellens bottenabsorbator, så att den kan fånga energi från ett nyckelområde av solspektrumet. Medan det nya rekordet bara förbättras måttligt jämfört med det tidigare effektivitetsrekordet på 32,8 %, det är den första rekordeffektiva multijunction-solcellen som använder en töjningsbalanserad struktur – en design som lovar ytterligare förbättringar.

Den nya cellen beskrivs i en artikel i Advanced Energy Materials med titeln "High Efficiency Inverted GaAs and GaInP/GaAs Solar Cells With Strain-Balanced GaInAs/GaAsP Quantum Wells." Cellerna har ett lager av galliumindiumfosfid (GaInP) för sin övre korsning och en nedre korsning av galliumarsenid (GaAs) strimmig med 80 staplade lager av kvantbrunnar. En kvantbrunn skapas när ett tunt lager av halvledarmaterial är inklämt mellan två lager av material med ett bredare bandgap, begränsar laddningsbärare till det centrala lagret.

Quantum Wells erbjuder möjligheter

Inkluderandet av så många kvantbrunnar i den nedre korsningen sänker den korsningens effektiva bandgap, öka våglängden av ljus det kan absorbera. Att fånga längre våglängder gör det möjligt för tandemcellen att hämta mer energi från solspektrumet, gör cellen mer effektiv på att omvandla ljus till elektricitet.

Traditionellt, kvantbrunnar har främst använts i laser, lysdioder, och elektronik för telekommunikation. Som en del av utvecklingsprocessen, NREL-teamet producerade en engångscell som visade en mycket hög extern strålningseffektivitet (> 40 %) – effektiviteten med vilken cellen omvandlar elektricitet till ljus när den körs baklänges. Medan teamet inte försökte bygga en LED-enhet, deras högkvalitativa kvantbrunnar visade viss potential på detta område, för.

Strain Balancing låser upp nytt rekord

Tidigare arbete har försökt använda kvantbrunnar för att justera bandgapet för solcellsövergångar, men det har inte producerat några rekordeffektiva celler, delvis för att det är svårt att odla många, många lager av högkvalitativt kvantbrunnsmaterial. Om skikten blir för tjocka eller om den mekaniska spänningen i kristallgittret inte är korrekt balanserad, cellen utvecklar defekter.

För deras världsrekordcell, laget växlade lager av galliumindiumarsenid—i kompression—och galliumarsenidfosfid—under spänning. Genom att noggrant kontrollera tjockleken på dessa lager, töjningen av tryck- och dragkrafterna balanserar mellan lagren. En rad lasrar användes för att mäta brickans krökning under hela tillväxtprocessen, gör det möjligt för forskarna att upptäcka och justera för spänningar i kristallgittret.

"Detta arbete kommer att leda till mer effektiva solceller för ensolstillämpningar, vilket kan vara en betydande drivkraft för den utbredda adoptionen av dessa celler, sa Myles Steiner, en senior forskare på NREL-teamet. "Nu, en viktig utmaning framöver är att lära sig att tillverka dessa celler på ett kostnadskonkurrenskraftigt sätt."

Globe-Spanning Collaboration ger resultat

Utvecklingen av denna celldesign växte fram ur ett nära samarbete mellan en del av forskningsgruppen High-Efficiency Crystalline Photovoltaics vid NREL och ett team vid University of New South Wales (UNSW). Faktiskt, Steiner tillbringade tre månader i början av 2020 i New South Wales med sina australiska medarbetare, arbetar med projektet som en del av ett anslag från Fulbright Scholars Program.

"Vårt partnerskap sammanförde NREL:s långvariga expertis inom epitaxiell tillväxt och UNSW:s arbete med solcellsmodellering, som hjälpte oss att samarbeta effektivt på distans, sa Nicholas Ekins-Daukes, som ledde UNSW-teamet. "Jag var imponerad av hur snabbt vi kunde utveckla den första kompositen, töjningsbalanserat halvledarmaterial för att överträffa en konventionell solcell."