Расширение этой новой конструкции от прототипа размером с планшет до полноразмерной солнечной панели было бы большим шагом к тому, чтобы сделать солнечную энергию доступной по сравнению с другими способами производства электроэнергии. Это также поможет стране в достижении ее цели по созданию национальной энергосистемы, которая получает треть своей энергии за счет ветровых и солнечных источников.
Это доступное будущее на солнечных батареях может быть ближе, чем мы думаем, благодаря ранним испытаниям этого нового материала, который был разработан группой ученых из Университета Пенсильвании и Университета Дрекселя. Частично испытания проводились в Усовершенствованном источнике фотонов, расположенном в Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США.Команда создала новый класс керамических материалов, обладающий тремя основными преимуществами.
Во-первых, он может производить солнечную панель, которая тоньше, чем сегодняшние лидеры рынка на основе кремния, за счет использования одного материала для работы двух. Во-вторых, в нем используются более дешевые материалы, чем в современных тонкопленочных солнечных панелях высокого класса.
В-третьих, этот материал является сегнетоэлектрическим, что означает, что он может переключать полярность, что является ключевым признаком превышения теоретических пределов энергоэффективности современных материалов для солнечных элементов.Одна из причин, по которой солнечные панели имеют низкую эффективность, заключается в том, что частицы, собранные от солнца, попадают в солнечную батарею и распространяются во всех направлениях. Чтобы все они текли в одном направлении, обычно требуются слои разного материала для каналов.
Каждый раз, когда частицы проходят между этими слоями, некоторые теряются, что снижает энергоэффективность солнечного элемента. В новом дизайне команды используется меньшее количество слоев для ограничения потерь и используется сегнетоэлектрический материал, чтобы использовать меньше энергии, направляя частицы.Чтобы смоделировать и разработать материал с таким сочетанием свойств, потребовалось более пяти лет.
В материале используются кристаллы перовскита, изготовленные из комбинации ниобата калия и ниобата никеля бария. Он показал значительное улучшение по сравнению с сегодняшним классическим сегнетоэлектрическим материалом. Новый материал может поглощать в шесть раз больше энергии и передавать фототок в 50 раз плотнее. Ученые считают, что дальнейшая корректировка состава материала должна повысить эффективность.
«Это семейство материалов тем более примечательно, что оно состоит из недорогих, нетоксичных и широко распространенных элементов, в отличие от сложных полупроводниковых материалов, которые в настоящее время используются в эффективных технологиях тонкопленочных солнечных элементов», — сказал Джонатан Спаниер, член команды из Отделение материаловедения и инженерии Дрекселя.Работа описана в статье «Перовскитовые оксиды для сегнетоэлектрических и фотоэлектрических материалов, поглощающих видимый свет», опубликованной в прошлом месяце в журнале Nature.Исследователи использовали рентгеновскую кристаллографию и порошковую дифракцию в секторе 11 APS, чтобы убедиться, что материал имеет кристаллическую структуру и симметрию, которые они предполагали. Этот прибор и его уникальная программа для пересылки по почте обеспечивают удобный и быстрый доступ к данным порошковой дифракции с самым высоким разрешением, доступным в Северной Америке, обеспечивая очень подробную и точную картину атомной структуры этого керамического материала.
Используя набор экспериментальных инструментов, группа исследователей продемонстрировала способность материала перемещать энергию в одном направлении, не пересекая слои, тем самым сводя к минимуму потери энергии. Эта способность, называемая объемным фотоэлектрическим эффектом, известна с 1970-х годов, но до сих пор наблюдалась только в ультрафиолетовом свете, а большая часть солнечной энергии находится в видимом и инфракрасном спектрах.Регулируя процентное соотношение компонентов в этом новом материале, исследовательская группа продемонстрировала, что они могут уменьшить количество энергии, необходимое для индукции проводимости, уровень, называемый запрещенной зоной.
«Ширина запрещенной зоны исходного материала находится в УФ-диапазоне, — сказал Спаниер, — но добавление всего 10 процентов ниобата бария-никеля перемещает запрещенную зону в видимый диапазон и приближается к желаемому значению для эффективного преобразования солнечной энергии».Исследованием руководили профессор Эндрю Рапп и специалист-исследователь Илья Гринберг с кафедры химии Школы искусств и наук Пенсильвании вместе с заведующим кафедрой материаловедения и инженерии Школы инженерии и прикладных наук Питером Дэвисом и Спаниером. из Дрексельского университета.Использование APS было поддержано Управлением науки Министерства энергетики США.
Исследование было поддержано Институтом коммерциализации энергии компании Ben Franklin Technology Partners, Управлением фундаментальных наук Министерства энергетики, Управлением армейских исследований, Американским обществом инженерного образования, Управлением военно-морских исследований и Национальным научным фондом. Кроме того, исследователи воспользовались услугами Национального вычислительного центра энергетических исследований в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли, который также поддерживается Управлением науки Министерства энергетики США.