(Phys.org) —Forskare har designat en ny multifunktionell solcell som, i simuleringar, kan uppnå en effektivitet på 51,8%. Denna höga prestanda överstiger det nuvarande målet om 50% effektivitet i multifunktionssolcellsforskning samt det nuvarande världsrekordet på 43,5% för en solcell med tre korsningar.

Arbetet utfördes av ett samarbete mellan forskare från California Institute of Technology i Pasadena; National Institute of Standards and Technology i Gaithersburg, Maryland; University of Maryland i College Park; och Boeing-Spectrolab, Inc., i Sylmar, Kalifornien. Teamet publicerade ett papper om sitt arbete i ett nyligen utgåva av Tillämpad fysikbokstäver .

Som forskarna förklarar, multijunction -solceller är en av de mest lovande enheterna för att effektivt omvandla solljus till elektricitet. I solceller med flera funktioner, varje korsning eller subcell absorberar och omvandlar solljus från ett specifikt område av spektrumet. Undercellerna kan staplas ovanpå varandra så att solljus först träffar den högsta bandgapundersättningen, som är inställd på ljus med de kortaste våglängderna eller högsta energierna. De längre våglängderna passerar genom den första delcellen och träffar de lägre bandgap -delcellerna.

Detta arrangemang erbjuder en betydande fördel gentemot solceller med en korsning, som har en maximal teoretisk effektivitet på endast 34%. I teorin, en "oändlig korsning" solcell har en maximal teoretisk effektivitet på nästan 87%. Men för att närma mig denna nivå, multijunction solceller behöver inte bara flera subceller, men optimala halvledarmaterial för delcellerna för att ge en kombination av bandgap som täcker så mycket av solspektrumet som möjligt.

För att förbättra de nuvarande bästa multifunktionssolcellerna, forskarna här fokuserade på att förbättra den nuvarande matchningen mellan de olika delcellerna, tillsammans med att använda en gittermatchad design. Båda dessa faktorer har tidigare begränsat multifunktionella solcellseffektivitet.

"Gittermatchningen motsvarar matchningen mellan kristallenhetens celler från de olika delcellerna, "huvudförfattare Marina Leite, en energiforskare vid National Institute of Standards and Technology, berättade Phys.org . "Genom att använda subceller som är gittermatchade, vi kan minimera dislokationer och andra kristalldefekter som avsevärt kan påverka enhetens prestanda. En strömmatchning krävs för två-terminala tandemkonfigurationer eftersom i detta fall en enda ström passerar genom alla delcellerna och spänningarna läggs till; därför, om en delcell har mindre fotoström begränsar den strömmen som genereras av hela enheten. Den aktuella matchningen önskas så att varje enskild delcell fungerar vid sin egen maximala effektpunkt. "

Forskarna utförde simuleringar med full enhet för att undersöka solcellens potentiella effektivitet. För varje lager i modelleringen, de beaktade många faktorer, såsom materialkomposition, gitter konstant, tjocklek, dielektrisk konstant, elektronaffinitet, bandgap, effektiv lednings- och valensbandstäthet, elektron- och hålrörelser, dopningskoncentrationen av grunda acceptorer och givare, värmehastigheten hos elektroner och hål, legeringstätheten, Skruvkombination för elektroner och hål, direkt band-till-band rekombination, och hur många fotoner med en specifik våglängd som absorberas och reflekteras av varje lager baserat på dess dielektriska egenskaper.

Med hänsyn till alla dessa faktorer, simuleringarna visade att 3-korsningsdesignen kunde uppnå en effektivitet på 51,8% under 100-solars belysning, en stor förbättring jämfört med nuvarande bästa 43,5% effektivitet under 418-solars belysning. Alla tre delcellerna i den nya designen hade en maximal extern kvanteffektivitet på 80% och absorberade ljus från ett brett spektrum.

"Flerfunktionssolcellerna testas under olika antal soler eftersom de ofta används i koncentratatorns solcellssystem, som gör att vi kan minska storleken eller antalet celler som behövs, "Leite förklarade." Dessa strategier tolererar användning av dyrare halvledarmaterial, som annars skulle vara kostnadsöverskridande. Resultaten kan säkert jämföras med varandra, så länge belysningskällorna är väl kalibrerade. "

Forskarna byggde också en principfast solcell med motsvarande design, som de tillverkade på ett indiumfosfid (InP) -substrat. Solcellen var inte optimerad, så dess effektivitet var långt ifrån den teoretiska förutsägelsen, men resultaten visade ändå förmågan att experimentellt förverkliga designen. Forskarna förutspår att med ytterligare förbättringar, denna ekvivalenta 3-korsningssolcell kan ha en praktisk effektivitet på cirka 20% under 1-solbelysning.

"[Den tillverkade solcellen] presenterar en dålig strömmatchning men visar vår förmåga att odla högkvalitativa halvledarföreningar med en extremt låg densitet av defekter och stökiometri mycket nära vad som krävs för den optimerade designen, "Sa Leite." Den bandgap-optimerade designen bildas av samma klass av legeringar, och har en bra aktuell match. Så, vid optimering av antireflexbeläggningar och andra designparametrar, simuleringarna indikerar att man kan nå mer än 50% under koncentrerat solljus. "

Förutom en optimerad antireflexbeläggning, några av de andra förbättringarna kan innebära att fönster- och bakre ytskikt läggs till för att minska förlusten och förtjockning av de två nedre delcellerna för att absorbera långt våglängdsljus mer fullständigt.

"Jag är mycket upphetsad över våra första resultat om en bandgap-optimerad design, "Sa Leite." Inom en snar framtid planerar jag att arbeta med integreringen av den optimerade designen i enkristallsmallen för att tillverka en första monolitisk (1,93 eV) InAlAs/(1,39 eV) InGaAsP/(0,94 eV) InGaAs solar cell. Samtidigt, vi tittar på antireflexbeläggningsalternativ för InAlAs bästa undercell, som kommer att kräva ett syrefri material eller kombinationen av en oxid och en sulfid som ett skyddande skikt. "

Copyright 2013 Phys.org
Alla rättigheter förbehållna. Detta material får inte publiceras, utsända, omskrivet eller omfördelat helt eller delvis utan uttryckligt skriftligt tillstånd från Phys.org.