В тандемных или многопереходных солнечных элементах используются два и более фотоэлектрических поглотителя (солнечных элемента, которые располагаются друг под другом), каждый с разными свойствами. Такие устройства нужны для того, чтобы более эффективно использовать весь спектр солнечного излучения: верхний элемент поглощает самое горячее (коротковолновое) излучение, а нижний холодное (длинноволновое).
Исследователи из Института солнечно-энергетических систем Общества имени Фраунгофера разработали фотоэлектрический элемент с тройным переходом, способный превращать в электричество 35,9% поступающей от солнца энергии. Рекордный показатель получен в условиях освещенности, типичных для средних широт. Научная работа финансировалась Федеральным министерством экономики и энергетики Германии, в также Фондом Генриха Бёлля.
В тандемном экспериментальном устройстве фотоячейка из кристаллического кремния объединена на атомном уровне с полупроводниковым материалом из элементов III–V групп таблицы Менделеева: галлия, индия, мышьяка и фосфора. Причем разработка имеет только два выходных электрических контакта, но обладает той же эффективностью, что и лучшие тандемные фотоэлементы с четырьмя выводами.
«Использование нового составного полупроводника (GaInAsP) для среднего элемента было ключевым шагом на пути к нашему успеху в достижении повышенного значения эффективности, — объясняет один из исследователей докторант Патрик Шигулла. — Новый материал позволил нам дополнительно увеличить время жизни носителей заряда и, таким образом, достичь более высокого напряжения в ячейке. Приятно видеть, как наши разработки в области материалов успешно способствуют усовершенствованию фотоэлектрических элементов с тройным переходом на основе кремния и элементов III–V групп».
Как предполагается, подобные высокоэффективные тандемные фотоэлементы будут востребованы прежде всего там, где мощность солнечной панели на единицу площади имеет решающее значение, например, на электрических летательных аппаратах.
Широкое распространение таких фотоэлектрических панелей в ближайшем будущем маловероятно, так как сейчас производство тандемных ячеек обходится значительно дороже, чем изготовление обычных фотоэлементов. Это связано со сложностью наращивания слоев из элементов III–V групп на кристалле кремния и других процессов, необходимых для создания таких полупроводников. Но немецкие исследователи интенсивно работают над технологиями, которые позволят сделать массовый выпуск тандемных фотоэлементов рентабельным.
«Пройдет несколько лет, прежде чем на рынке появятся какие-либо фотоэлектрические модули, изготовленные из представленных солнечных элементов; тем не менее это важный перспективный путь развития фотоэлектрических систем, которое необходимо для создания экологичной электроэнергетики», — говорит профессор Андреас Бетт.
