Saulės elementai tobulinami jau dešimtmečius, tačiau nebrangūs plonų plėvelių saulės elementai efektyvumu vis dar gerokai atsilieka nuo silicio kristalų pagrindu gaminamų saulės elementų. Dabar mokslininkų komanda siūlo, kad naudojant dvi plonas skirtingų medžiagų plėveles galima būtų sukurti nebrangius elementus, kurių efektyvumas galėtų siekti net iki 34%.
Pensilvanijos valstybinio universiteto (JAV) tyrėjai pamėgino šią problemą spręsti teoriškai, iš dviejų procesų pozicijų: optinės – žiūrint, kaip medžiagos sugeria saulės šviesą, ir elektrinės: žiūrint, kaip surinkti fotonai paverčiami elektra.
Optikos specialistai paprastai siekia optimizuoti šviesos surinkimą, o elektros – šviesos konversiją į elektrą.
„Mes nusprendėme sukurti modelį, kuriame tiek elektriniai, tiek optiniai aspektai bus traktuojami vienodai“, – teigia mokslininkai. „Tikslas – rasti, kaip padidinti efektyvumą, nes jei saulės elemento efektyvumas yra mažesnis nei 30%, tai situacijos saulės elementų rinkoje smarkai nepakeistų.“
Pensilvanijos valstybinio universiteto (JAV) tyrėjų darbas yra teorinis – jie laboratorijoje negamina plonųjų plėvelių, tačiau kuria matematinius modelius, kad išbandytų medžiagų ir jų konfigūracijų galimybes, kad kiti tyrėjai galėtų patikrinti gautus teorinius rezultatus. Jų teigimu, problema yra ta, kad matematiniai optinio ir elektrinio optimizavimo modeliai labai skiriasi.
Atrodytų, kad saulės elementai yra gana paprasti. Skaidrus viršutinis sluoksnis praleidžia saulės spindulius į energijos konversijos sluoksnį. Medžiaga, pasirinkta energijai konvertuoti, sugeria šviesą ir sukuria neigiamai įkrautų elektronų ir teigiamai įkrautų skylučių srautus, judančius priešingomis kryptimis. Skirtingai įkrautos dalelės patenka į viršutinį ir apatinį kontaktinį sluoksnį, kuris nukreipia elektrą iš elemento į tinklą arba į elektros prietaisus naudojimui. Energijos kiekis, kurį gali pagaminti modulis, priklauso nuo surinktų saulės spindulių kiekio ir konversijos sluoksnio galimybių. Skirtingos medžiagos konvertuoja skirtingus šviesos bangos ilgius, taip pat skiriasi jų efektyvumas.
„Norėdami padidinti efektyvumą, turime surinkti daugiau šviesos, tačiau norėdami tai padaryti, šviesą sugeriantį sluoksnį turėjome padaryti nehomogeninį“, – teigė mokslininkai.
Saulės elemento su dvigubu plonų plėvelių sluoksniu schema. Saulės spinduliai krenta į paviršių ir pasiekia vario indžio galio diselenido (CIGS) ir vario cinko alavo sieros selenido (CZTSSe) sluoksnius, kurie sugeria šviesą ir sukuria teigiamas ir neigiamas daleles, kurios keliauja į viršutinį ir apatinį kontaktinius sluoksnius, gamindamos elektrą. Iliustr.: Pensilvanijos valstybinis universitetas
Tam buvo naudojamos dvi skirtingos absorbuojančios medžiagos dviejose plonosiose plėvelėse – vario indžio galio diselenidas (CIGS) ir vario cinko alavo sieros selenidas (CZTSSe). Vieno CIGS efektyvumas yra apie 20%, o CZTSSe – apie 11%.
Šios dvi medžiagos turi panašią kristalinės gardelės struktūrą, todėl jas galima auginti vienas ant kitos, jos sugeria skirtingo dažnius šviesą, todėl naudojamos kartu, padidina bendrą elemento efektyvumą.
Tyrėjų teigimu, naudojamos dviejų sluoksnių struktūroje, šios medžiagos gali pasiekti 34% efektyvumą. Tai leistų sukurti naują saulės elementų architektūrą, gaminant elementus iš kelių plonųjų sluoksnių. Be abejo, galima ieškoti ir kitų medžiagų, kurių efektyvumas būtų galbūt net geresnis.
Tyrėjų teigimu, kitas žingsnis yra sukurti tokius saulės elementus eksperimentiškai ir sužinoti, ar jų efektyvumas atitiktų teorinį.
Tyrėjai savo darbo rezultatus publikavo naujame „Applied Physics Letters“ numeryje.
Faiz Ahmad et al, Double-absorber thin-film solar cell with 34% efficiency, Applied Physics Letters (2020). DOI: 10.1063/5.0017916