Исследователи из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) побили мировой рекорд эффективности солнечных батарей. Достигнув КПД почти 40 процентов, новое устройство может похвастаться самой высокой эффективностью, зарегистрированной для любого типа солнечных элементов в условиях реального мира.

Новая солнечная батарея с квантовым колодцем, установившая мировой рекорд, светится красным цветом под воздействием источника синего света. Wayne Hicks, National Renewable Energy Laboratory (NREL)

Новый солнечный элемент команды показал эффективность 39,5 процента при освещении, эквивалентном солнечному. Это важное различие - другие экспериментальные солнечные батареи зарегистрировали эффективность до 47 процентов, но в условиях высококонцентрированного света. Измерение их эффективности при освещении " одного солнца" дает лучшее представление о том, насколько хорошо они могут работать в реальном мире.

Новый солнечный элемент превзошел предыдущий рекорд команды - 39,2 процента, установленный в 2020 году. Для сравнения, эффективность обычно используемых кремниевых солнечных элементов и новых перовскитовых батарей составляет около 25 процентов, а эффективность тандемных солнечных элементов, сочетающих оба материала, приближается к 30 процентам.

Кроме того, солнечная батарея NREL была протестирована на предмет эффективной работы в космосе. (Это позволит использовать ее для питания спутников и других космических аппаратов). В результате испытаний нового элемента в космическом пространстве его эффективность составила 34,2 процента.

Новый солнечный элемент основан на архитектуре, известной как инвертированные метаморфические многофункциональные элементы (IMM), и представляет собой три "узла" компонентов, которые производят электрический ток под воздействием света. Каждый из них выполнен из разных материалов - в данном случае это фосфид индия и галлия сверху, арсенид галлия посередине и арсенид индия и галлия снизу. Эти три материала ориентированы на различные длины световых волн, позволяя солнечной батарее в целом собрать больше энергии со всего светового спектра.

Еще одним достижением, которое помогло добиться рекордной эффективности, стала технология построения среднего элемента с "квантовыми ямами". Проще говоря, если поместить проводящий слой между двумя другими материалами с более широким зазором, электроны будут ограничены двумя измерениями, что позволит материалу улавливать больше света. Средний слой нового солнечного элемента состоял из 300 квантовых ям, что позволило значительно увеличить общую эффективность.

Данный прорыв может иметь большое значение для технологии солнечных батарей, однако исследователи говорят, что производство такого типа элементов пока еще слишком дорого. Для снижения стоимости и поиска новых областей его применения потребуется провести дополнительные разработки.

Исследование было опубликовано в журнале Joule.

Источники:National Renewable Energy Laboratory (NREL), Journal Joule
(https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S254243512200191X)
(https://www.nrel.gov/news/press/2022/nrel-creates-highest-efficiency-1-sun-solar-cell.html)