Солнечные батареи побили рекорд эффективности

Новая многослойная солнечная батарея побила мировой рекорд эффективности.

Новая многослойная солнечная батарея побила мировой рекорд эффективности.
Фото Dennis Schroeder, NREL.

Также учёные изобрели фотоэлемент, необычайно устойчивый к космической радиации.

Также учёные изобрели фотоэлемент, необычайно устойчивый к космической радиации.
Фото HZB.

Новая многослойная солнечная батарея побила мировой рекорд эффективности.
Также учёные изобрели фотоэлемент, необычайно устойчивый к космической радиации.

Учёные из США разработали солнечные элементы с рекордным КПД: почти 50%. Тем временем другая научная группа создала солнечные батареи нового типа для космических кораблей.

Сложность для эффективности

О рекордной эффективности фотоэлементов сообщила на страницах журнала Nature Energy команда из Национальной лаборатории по изучению возобновляемой энергии (США). При естественной освещённости солнцем их детище показало КПД 39,2%. Под сконцентрированными солнечными лучами, когда освещённость превышает естественную в 143 раза, эффективность достигает 47,1%. Обе величины являются мировым рекордом для солнечных батарей.

Новый фотоэлемент состоит из шести слоёв, занимающихся собственно выработкой энергии. Каждый слой изготовлен из отдельного материала. Это фосфид алюминия-галлия-индия Al0,18Ga0,33In0,49P, арсенид алюминия-галлия Al0,23Ga0,77As, арсенид галлия GaAs и три разновидности арсенидов галлия-индия: Ga0,84In0,16As, Ga0,66In0,34As и Ga0,42In0,58As. Такое разнообразие позволяет использовать для выработки электричества фотоны с самой разной энергией.

Между этими слоями присутствуют прослойки вспомогательных веществ, так что общее число уровней в "слоёном пироге" достигает 140. При этом батарея остаётся втрое тоньше человеческого волоса.

Исследователи полагают, что дальнейшее развитие этой технологии позволит коэффициенту полезного действия преодолеть знаковую отметку в 50%.

Ключевым недостатком новой батареи является её высокая стоимость (определяемая прежде всего сложностью производства подобных фотоэлементов). Однако это препятствие можно обойти, фокусируя свет с помощью вогнутых зеркал. Как отмечает соавтор исследования Райан Франс (Ryan France), это позволит уменьшить площадь (а значит, и стоимость) фотоэлемента в сотни и даже тысячи раз.

Другой нишей для новой технологии может стать космическая промышленность. КПД стандартных кремниевых фотоэлементов сегодня составляет около 20%. Чтобы обеспечить космические аппараты энергией, приходится делать панели большой площади, а между тем требования к массе и габаритам полезной нагрузки в космосе весьма жёсткие. Поэтому разработчики наверняка не пожалеют денег на более компактные батареи той же мощности.

Также учёные изобрели фотоэлемент, необычайно устойчивый к космической радиации.

Космос для стойких

Кстати, о космосе. Именно там может пригодиться ещё один фотоэлемент, описанный на страницах журнала Joule большой международной исследовательской группой.

Устройство содержит два слоя. Первый состоит из перовскита и поглощает в основном кванты света. Второй состоит из соединения меди, индия, галлия и селена и вырабатывает ток благодаря инфракрасным фотонам.

КПД всей конструкции составляет 24,16%. Это не так много по сравнению с описанной выше разработкой, однако у новой батареи есть свои преимущества.

"Эта комбинация [материалов] чрезвычайно легка и устойчива к облучению. Она может подойти для применения в космической технике", – объясняет соавтор работы Стив Альбрехт (Steve Albrecht) из Берлинского центра материалов и энергии имени Гельмгольца.

Новый фотоэлемент невероятно устойчив перед протонным облучением. Это важный фактор в космосе, где аппараты непрерывно бомбардируются солнечным ветром и космическими лучами.

Даже после облучения с плотностью два триллиона протонов на квадратный сантиметр при энергии частиц в 68 мегаэлектронвольт батарея сохранила 85% своей первоначальной эффективности. Эта стойкость может очень пригодиться космическим зондам, особенно межпланетным, не защищённым магнитным полем Земли.

Кроме того, новый фотоэлемент тонок (менее пяти микрометров), гибок и сравнительно дёшев. Так что ему вполне можно найти применение и на Земле.

К слову, ранее "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) писали о том, как российские химики повысили эффективность солнечных батарей при помощи фтора. Говорили мы и о рекорде эффективности органических солнечных батарей. Также мы писали о том, что КПД солнечной энергетики можно значительно повысить даже со стандартными фотоэлементами.