Команда из Мадридского университета Комплутенсе разработала первый в мире солнечный элемент с теоретическим коэффициентом полезного действия до 60%.
Учёные из Мадридского университета Комплутенсе разработали первый в мире солнечный элемент на основе фосфида галлия и титана. Это инновационное соединение может почти вдвое превзойти эффективность традиционного кремния, что обещает предельный коэффициент полезного действия (КПД) вблизи 60% для одиночного p-n-перехода.
Одиночный p-n-переход представляет собой область, образованную соединением полупроводниковых материалов типа p и типа n. В полупроводниковой физике тип p (положительный) содержит избыток дырок (положительных зарядов), которые возникают из-за недостачи электронов. Тип n (отрицательный) содержит избыток свободных электронов (отрицательных зарядов). Когда эти два типа полупроводников соединяются, возникает p-n-переход, который обладает уникальными электрическими свойствами. Переход обычно используется в диодах, которые позволяют току течь в одном направлении (от p-узла к n-узлу), но препятствуют его движению в обратном направлении. На границе p-n-перехода создаётся электрическое поле, которое способствует раздельному движению электронов и дырок, что позволяет использовать этот переход для преобразования света в электрическую энергию. Эффективность одиночного p-n-перехода в солнечных элементах ограничена теоретическим пределом, известным как предел Шокли — Квиссера, который для кремния составляет около 32%.
«Наша группа занимается исследованиями этих элементов уже более 15 лет, — сообщил ведущий автор исследования Хавьер Олеа Ариза в интервью изданию PV Magazine. — Мы опубликовали первую статью в 2009 году, а в последней работе перешли к созданию первых реальных устройств. Хотя на данный момент эффективность этих устройств остается низкой, теоретический потенциал обещает КПД около 60%».
Кремний остаётся самым распространённым материалом для производства солнечных элементов, имея ширину запрещённой зоны 1,1 эВ (электронвольт). Согласно пределу Шокли — Квиссера, максимальный теоретический КПД для одиночного p-n-перехода из кремния составляет примерно 32%. Чтобы добиться большей эффективности, необходимо накладывать несколько переходов для поглощения различных диапазонов света или фокусировать свет, повышая его интенсивность.
Если учёные смогут развить одиночные переходы на основе GaP:Ti, эффективность преобразования этого элемента с запрещённой зоной 2,26 эВ может достичь 60%. Однако до достижения этой амбициозной цели ещё предстоит проделать много работы. На данный момент учёные зафиксировали, что ранний прототип GaP:Ti площадью 1 см² успешно поглощает фотоны для фотоэлектрических преобразований как ниже 550 нм, так и в узком диапазоне выше этой отметки, что, по всей видимости, связано с наличием титана. В будущем исследователи планируют создать прототип нового элемента с более высоким КПД, который сможет соперничать с кремниевыми солнечными панелями.
