Вчені встановили рекорд ефективності для сонячного елемента на основі міді та галію.

Дослідники з Японії повідомили про нове досягнення у сфері сонячної енергетики. Команда науковців із Національного інституту передових промислових наук і технологій Японії (AIST) розробила сонячний елемент на основі селеніду міді та галію (CuGaSe₂) з рекордною ефективністю перетворення енергії — 12,28%.

Це важливий крок у розвитку нових фотоелектричних технологій, адже матеріал CuGaSe₂ розглядається як перспективна альтернатива для створення сонячних елементів без використання індію.

Новий рекорд ефективності для сонячних елементів CuGaSe₂

Селенід міді та галію належить до групи халькогенідних напівпровідників родини халькопіритів. Він є близьким аналогом широко використовуваного матеріалу CIGS (мідь-індій-галій-селенід), який застосовується у тонкоплівкових сонячних панелях.

Головною перевагою CuGaSe₂ є широка заборонена зона близько 1,68 еВ, що дозволяє ефективно поглинати видимий спектр сонячного випромінювання. Завдяки цьому матеріал може забезпечувати високу продуктивність під час перетворення сонячної енергії на електричну.

Досягнута ефективність 12,28% стала найвищим показником серед широкозонних халькогенідних сонячних елементів у діапазоні енергії 1,65–1,75 еВ, особливо серед технологій, які не використовують індій.

Стійкість до дефектів підвищує ефективність

Однією з причин високої ефективності нового сонячного елемента стала здатність матеріалу компенсувати структурні дефекти. Навіть за наявності недосконалостей у кристалічній решітці сонячна комірка зберігає високу продуктивність.

Така стійкість до дефектів зменшує рекомбінацію носіїв заряду — процес, під час якого електрони втрачають енергію, не беручи участі у генерації електрики. У результаті підвищується ефективність роботи сонячного елемента.

За словами керівника дослідження Сього Ішизуки, отриманий результат перевищив попередні рекорди для сонячних елементів CuGaSe₂-Al, які раніше були опубліковані у таблицях ефективності Progress in Photovoltaics.

Незалежна перевірка результатів

Ефективність нового сонячного елемента була підтверджена фахівцями лабораторії Photovoltaic Calibration, Standards and Measurement Team у дослідницькому центрі відновлюваної енергетики AIST.

В основі розробки лежить попередня конструкція сонячної комірки, представлена дослідниками інституту у 2024 році. У новій версії вчені модифікували структуру елемента, додавши алюміній у задню частину шару CuGaSe₂.

Це рішення дозволило сформувати так зване заднє поверхневе поле (Back Surface Field, BSF), яке покращує збір носіїв заряду та зменшує енергетичні втрати. У результаті зросли напруга холостого ходу, коефіцієнт заповнення та загальна ефективність сонячної комірки.

Використання алюмінію та рубідію

Рекордний сонячний елемент створено на основі поглинального шару CuGaSe₂, сформованого за допомогою триетапного технологічного процесу.

На першому етапі у структуру матеріалу вводили алюміній і фторид рубідію. На фінальному етапі до шару додатково вводився RbF, що дозволило підвищити напругу холостого ходу без зниження ефективності перетворення енергії.

Конструкція сонячного елемента складається з кількох шарів:

• скляна підкладка із содово-вапняного скла

• задній контакт із молібдену

• поглинальний шар CuGaSe₂ без використання індію

• буферний шар сульфіду кадмію товщиною близько 150 нм

• віконний шар оксиду цинку

• металева контактна сітка

Така багатошарова структура забезпечує ефективний збір заряду та високу продуктивність сонячної комірки.

Перспективи технології

Науковці зазначають, що їхня робота належить до фундаментальних досліджень, спрямованих на створення широкозонних сонячних елементів для використання у тандемних сонячних батареях нового покоління.

Подібні пристрої поєднують кілька фотоелектричних шарів, які поглинають різні частини сонячного спектра, що дозволяє значно підвищити загальну ефективність.

Однак для створення повноцінного комерційного прототипу необхідно розробити сумісний нижній елемент та інтегрувати тандемну технологію. Тому ця розробка поки що перебуває на ранній стадії досліджень і ще не готова до масового виробництва.

Попри це, отримані результати демонструють значний потенціал нових екологічних матеріалів для сонячної енергетики, які можуть відіграти важливу роль у розвитку відновлюваної енергетики майбутнього.