Учёные установили рекорд эффективности для солнечного элемента на основе меди и галлия

Исследователи из Японии сообщили о новом мировом достижении в области солнечной энергетики. Команда учёных из Национального института передовых промышленных наук и технологий Японии (AIST) разработала солнечный элемент на основе селенида меди и галлия (CuGaSe₂) с рекордной эффективностью преобразования энергии — 12,28%.

Это важный шаг в развитии новых фотоэлектрических технологий, поскольку материал CuGaSe₂ рассматривается как перспективная альтернатива для создания солнечных элементов без использования индия.

Новый рекорд эффективности для солнечных элементов CuGaSe₂

Селенид меди и галлия относится к группе халькогенидных полупроводников семейства халькопиритов. Он является близким родственником широко используемого материала CIGS (медь-индий-галлий-селенид), который применяется в тонкоплёночных солнечных панелях.

Главное преимущество CuGaSe₂ заключается в его широкой запрещённой зоне около 1,68 эВ, что позволяет эффективно поглощать видимый спектр солнечного излучения. Благодаря этому материал способен обеспечивать высокую производительность при преобразовании солнечной энергии.

Достигнутая эффективность 12,28% стала самым высоким показателем среди широкозонных халькогенидных солнечных элементов с диапазоном энергии 1,65–1,75 эВ, особенно среди технологий, не использующих индий.

Устойчивость к дефектам повышает эффективность

Одной из причин высокой эффективности нового солнечного элемента стала способность материала компенсировать структурные дефекты. Даже при наличии несовершенств в кристаллической решётке солнечная ячейка сохраняет высокую производительность.

Такая устойчивость к дефектам снижает рекомбинацию носителей заряда — процесс, при котором электроны теряют энергию, не участвуя в генерации электричества. В результате повышается эффективность работы солнечного элемента.

По словам руководителя исследования Сёго Ишизуки, полученный результат превзошёл предыдущие рекорды для солнечных элементов CuGaSe₂-Al, которые ранее были опубликованы в таблицах эффективности Progress in Photovoltaics.

Независимая проверка результатов

Эффективность нового солнечного элемента была подтверждена специалистами лаборатории Photovoltaic Calibration, Standards and Measurement Team в исследовательском центре возобновляемой энергетики AIST.

В основе разработки лежит предыдущая конструкция солнечной ячейки, представленная исследователями института в 2024 году. В новой версии учёные модифицировали структуру элемента, добавив алюминий в заднюю часть слоя CuGaSe₂.

Это решение позволило сформировать так называемое заднее поверхностное поле (Back Surface Field, BSF), которое улучшает сбор носителей заряда и снижает энергетические потери. В результате увеличились напряжение холостого хода, коэффициент заполнения и общая эффективность солнечной ячейки.

Использование алюминия и рубидия

Рекордный солнечный элемент был создан на основе поглощающего слоя CuGaSe₂, сформированного с помощью трёхэтапного технологического процесса.

На первом этапе в структуру материала добавлялись алюминий и фторид рубидия. На финальной стадии в слой дополнительно вводился RbF, что позволило увеличить напряжение холостого хода без снижения эффективности преобразования энергии.

Конструкция солнечного элемента включает несколько слоёв:

• стеклянную подложку из содово-известкового стекла

• задний контакт из молибдена

• поглощающий слой CuGaSe₂ без использования индия

• буферный слой сульфида кадмия толщиной около 150 нм

• оконный слой оксида цинка

• металлическую контактную сетку

Такая многослойная структура обеспечивает эффективный сбор заряда и высокую производительность солнечной ячейки.

Перспективы технологии

Учёные отмечают, что их работа относится к фундаментальным исследованиям, направленным на создание широкозонных солнечных элементов для использования в тандемных солнечных батареях нового поколения.

Подобные устройства объединяют несколько фотоэлектрических слоёв, которые поглощают разные части солнечного спектра, что позволяет значительно повысить общую эффективность.

Однако для создания полноценного коммерческого прототипа потребуется разработка совместимого нижнего элемента и интеграция тандемной технологии. Поэтому технология пока находится на ранней стадии исследования и ещё не готова к массовому производству.

Тем не менее, полученные результаты демонстрируют высокий потенциал новых экологичных солнечных материалов, которые могут сыграть важную роль в развитии солнечной энергетики будущего.