В новом элементе используется слой кремния, который составляет основу большинства современных солнечных панелей, но добавлен полупрозрачный слой материала, называемого перовскитом, который может поглощать частицы света с более высокой энергией. В отличие от более раннего «тандемного» солнечного элемента, о котором сообщили члены той же команды ранее в этом году, в котором два слоя были физически сложены друг с другом, но каждый имел свои собственные отдельные электрические соединения, в новой версии оба слоя соединены вместе как один устройство, которому нужна только одна цепь управления.О новых результатах сообщил в журнале Applied Physics Letters аспирант Массачусетского технологического института Джонатан Майлоа; доцент кафедры машиностроения Тонио Буонассиси; Колин Бейли и Майкл МакГихи в Стэнфорде; и четыре других.«Разные слои поглощают разные части солнечного света», — объясняет Майлоа.
В более раннем тандемном солнечном элементе два слоя фотоэлектрического материала могли работать независимо друг от друга и требовали собственной проводки и схем управления, что позволяло настраивать каждый элемент независимо для оптимальной производительности.Напротив, новая комбинированная версия должна быть намного проще в изготовлении и установке, говорит Майлоа. «У него есть преимущества с точки зрения простоты, поскольку он выглядит и работает так же, как одиночный кремниевый элемент», — говорит он, и для этого требуется только одна электрическая цепь управления.Одним из компромиссов является то, что производимый ток ограничен мощностью меньшего из двух слоев. Электрический ток, объясняет Буонассиси, можно рассматривать как аналог объема воды, проходящей через трубу, который ограничен диаметром трубы: если вы соедините два отрезка трубы разного диаметра, один за другим, " количество воды ограничено самой узкой трубой », — говорит он.
Последовательное объединение двух слоев солнечных элементов оказывает такое же ограничивающее действие на ток.Чтобы устранить это ограничение, команда стремится максимально точно сопоставить текущий выходной сигнал двух слоев. В этом испытанном солнечном элементе это означает, что общая выходная мощность примерно такая же, как у обычных солнечных элементов; команда сейчас работает над оптимизацией этого результата.Перовскиты были изучены на предмет потенциального использования в электронике, включая солнечные элементы, но это первый случай, когда они были успешно соединены с кремниевыми элементами в такой конфигурации, что поставило множество технических проблем.
Теперь команда сосредоточена на повышении энергоэффективности — процента энергии солнечного света, которая преобразуется в электричество, — что возможно из комбинированного элемента. В этой первоначальной версии КПД составляет 13,7 процента, но исследователи говорят, что они определили недорогие способы повышения этого показателя примерно до 30 процентов — существенное улучшение по сравнению с сегодняшними коммерческими солнечными элементами на основе кремния, — и они говорят, что эта технология может в конечном итоге достичь КПД более 35 процентов.Они также изучат, как легко производить устройства нового типа, но Буонассиси говорит, что это должно быть относительно просто, поскольку материалы поддаются производству методами, очень похожими на обычное производство кремниевых элементов.
Одно из препятствий заключается в том, чтобы сделать материал достаточно прочным, чтобы быть коммерчески жизнеспособным: перовскитовый материал быстро разрушается на открытом воздухе, поэтому его необходимо либо модифицировать, чтобы улучшить присущую ему долговечность, либо герметизировать для предотвращения воздействия воздуха — без значительного увеличения производственных затрат и без снижения производительности.По словам Буонассиси, эта точная формулировка может оказаться не самой выгодной для улучшения солнечных элементов, но это один из нескольких путей, которые стоит изучить. «Наша задача на данный момент — предоставить миру варианты», — говорит он. «Рынок выберет среди них».