Больше света!

Новая технология позволит создавать дешевые и эффективные солнечные батареи

Среди альтернативных источников электроэнергии солнечным батареям всегда отводилась одна из главных ролей, но их доля в современной энергетике по-прежнему ничтожна. Дело в том, что солнечные батареи до сих пор  чересчур дороги и при этом  не слишком эффективны. Хотя эти показатели изменилось за последние десятилетия в лучшую сторону, но так и не привели к взрывному росту, который наблюдается в других областях применения полупроводников. Однако ест надежда, что вялое развитие солнечной энергетике может ускориться, - исследователи из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли сообщили об открытии, которое может стать толчком к ее бурному развитию.

Открытие было сделано совершенно неожиданно и в ходе исследований, которые к фотоэлементам прямого отношения не имели. Группа Владека Валюкевича (Wladek Walukiewicz) из Беркли исследовала тонкие полупроводниковые пленки из нитрида индия, как потенциальный материал для создания светодиодов и  полупроводниковых лазеров. Основываясь на сообщениях, о том, что запрещенная зона этого материала составляет  2 электрон-вольта (эВ), они пытались вызвать его свечение, но все их попытки потерпели неудачу. Но дело оказалось в том, что образцы, на которых ранее проводились испытания были изготовлены по технологии плазменного напыления, что приводило к тому, что кристалл был загрязнен посторонними включениями, таким как атомы кислорода, которые искажали реальные значения запрещенной зоны. Образцы, выращенные в Корнельском университете группой Вильяма Шаффа (William Schaff) при участии группы Ясуши Наниши (Yasushi Nanishi) из Университета Рицумейкан (Ritsumeikan), использовали метод молекулярно-лучевой эпитаксии. При этом компоненты будущего кристалла в виде чистых паров помещаются в глубокий вакуум, и кристаллизация идет при относительно невысокой температуре и в особо чистой среде.

Измерение характеристик этих образцов дало совершенно неожиданный результат, - запрещенная зона для нитрида галлия оказалась менее 0,7 эВ. Запрещенная зона, или, другими словами, область значений энергии, которыми не может обладать электрон в идеальном кристалле, определяет спектральной чувствительностью полупроводникового фотоэлемента.  Те, кого интересует эта тема, могут получить о запрещенной энергетической зоне и более подробную информацию.

Изменяя соотношение индия и галлия в трехкомпонентном сплаве (In1-xGaxN), ученым из Беркли удалось получить полупроводники, у которых запрещенная зона менялась от 0.7 эВ до 3.4 эВ. Такой широкий диапазон этого показателя означает, что фотоэлементы на основе нитрида индия и галлия смогут преобразовывать в электрический ток излучение почти полного солнечного спектра, - начиная от близкого инфракрасному и включая часть ультрафиолетового. Возможность создания таких солнечных батарей пока не проверена на практике, но в Berkeley Lab. полагают, что если это удастся, то солнечные батареи из него будут устойчивыми к внешним воздействиям, относительно недорогими и самыми эффективными из тех, что когда-либо создавались.

Однако для этого придется справиться с проблемами, для которых пока не найдено технологических решений. Солнечный элемент на основе одного полупроводника имеет теоретическое ограничение эффективности в 31%, на практике лучшие образцы таких элементов достигают эффективности в 25.1%. Чтобы покрыть большую часть солнечного спектра необходимо создать многослойный фотоэлемент, каждый слой которого будет поглощать свою часть спектра. Валюкевич считает, что многопереходный двухслойный солнечный элемент с запрещенными зонами в 1,7 эВ и 1.1 эВ, позволит достичь эффективности в 50%. Дальнейшее увеличение числа слоев, позволяет достичь теоретической эффективности более 70%, но создание таких многослойных фотоэлементов сопряжено с многочисленными трудностями, которые вряд ли преодолимы на нынешнем этапе. По словам Валюкевича, нерешенной остается проблема управления вводом акцепторных примесей, не установлены пока и несколько важных физических параметров полупроводника, необходимых для конструирования фотоэлемента. Например, такой, как расстояние, которое может преодолеть носитель заряда, пока вновь не будет поглощен. Однако успехи в создании светодиодов на основе аналогичных сплавов позволяют надеяться на успех в создании солнечных батарей. Кроме того, сплав нитрида индия и галлия обладает высокой теплоемкостью и устойчивостью к радиации, что делает его превосходным материалом для солнечных батарей космических аппаратов. Что же касается стоимости таких солнечных батарей, то Влюкевич, считает, что она будет того же порядка, что и стоимость светодиодов для использования в светофорах и указателях, а может быть и меньше.