Bron: solarindustrymag.com
Onderzoekers van het Amerikaanse ministerie van EnergieNationaal laboratorium voor hernieuwbare energie(NREL) hebben een zonnecel gemaakt met een recordrendement van 39,5 procent onder 1-globale zonverlichting. Dit is de zonnecel met het hoogste rendement van elk type, gemeten met standaard 1-zonomstandigheden.
"De nieuwe cel is efficiënter en heeft een eenvoudiger ontwerp dat nuttig kan zijn voor een verscheidenheid aan nieuwe toepassingen, zoals toepassingen met zeer beperkte ruimte of ruimtetoepassingen met weinig straling", zegt Myles Steiner, senior wetenschapper bij NREL's High-Efficiency Crystalline Photovoltaics (PV) Group en hoofdonderzoeker van het project. Hij werkte samen met NREL-collega's Ryan France, John Geisz, Tao Song, Waldo Olavarria, Michelle Young en Alan Kibbler.
Details van de ontwikkeling worden beschreven in het artikel "Triple-junction zonnecellen met 39,5 procent terrestrische en 34,2 procent ruimte-efficiëntie mogelijk gemaakt door dikke superroosters van kwantumputjes", die in het meinummer van het tijdschrift Joule verschijnt.
Wetenschappers van NREL vestigden eerder een record in 2020 met een 39,2 procent efficiënte zonnecel met zes knooppunten met behulp van III-V-materialen.
Verschillende van de beste recente zonnecellen zijn gebaseerd op de omgekeerde metamorfe multijunctie (IMM)-architectuur die is uitgevonden bij NREL. Deze nieuw verbeterde triple-junction IMM-zonnecel is nu toegevoegd aan de Best Research-Cell Efficiency Chart. De grafiek, die het succes van experimentele zonnecellen laat zien, bevat het vorige IMM-record met drie knooppunten van 37,9 procent dat in 2013 werd opgericht door Sharp Corporation uit Japan.
De verbetering in efficiëntie volgde op onderzoek naar "quantum well" zonnecellen, die veel zeer dunne lagen gebruiken om de eigenschappen van zonnecellen te wijzigen. De wetenschappers ontwikkelden een quantumwell-zonnecel met ongekende prestaties en implementeerden deze in een apparaat met drie knooppunten met verschillende bandafstanden, waarbij elk knooppunt is afgestemd om een ander deel van het zonnespectrum vast te leggen en te gebruiken.
De III-V-materialen, zo genoemd vanwege waar ze in het periodiek systeem vallen, overspannen een breed scala aan energiebandgaps waardoor ze zich op verschillende delen van het zonnespectrum kunnen richten. De bovenste kruising is gemaakt van gallium-indiumfosfide (GaInP), het midden van galliumarsenide (GaAs) met kwantumbronnen en de onderkant van met rooster niet-overeenkomend gallium-indiumarsenide (GaInAs). Elk materiaal is gedurende tientallen jaren van onderzoek sterk geoptimaliseerd.
"Een belangrijk element is dat, hoewel GaAs een uitstekend materiaal is en over het algemeen wordt gebruikt in III-V-multijunctiecellen, het niet helemaal de juiste bandgap heeft voor een cel met drie verbindingen, wat betekent dat de balans van fotostromen tussen de drie cellen niet optimaal is ", zegt Frankrijk, senior wetenschapper en celontwerper. "Hier hebben we de bandgap aangepast met behoud van uitstekende materiaalkwaliteit door kwantumbronnen te gebruiken, wat dit apparaat en mogelijk andere toepassingen mogelijk maakt."
De wetenschappers gebruikten kwantumputten in de middelste laag om de bandgap van de GaAs-cel te vergroten en de hoeveelheid licht die de cel kan absorberen te vergroten. Belangrijk is dat ze optisch dikke kwantumbronapparaten ontwikkelden zonder groot spanningsverlies. Ze leerden ook hoe ze de GaInP-topcel tijdens het groeiproces konden gloeien om de prestaties te verbeteren en hoe de threading-dislocatiedichtheid in niet-overeenkomende GaInAs-roosters, besproken in afzonderlijke publicaties, kan worden geminimaliseerd. Al met al vormen deze drie materialen het nieuwe celontwerp.
III-V-cellen staan bekend om hun hoge efficiëntie, maar het fabricageproces is van oudsher duur. Tot nu toe zijn III-V-cellen gebruikt voor het aandrijven van toepassingen zoals ruimtesatellieten, onbemande luchtvaartuigen en andere nichetoepassingen. Onderzoekers van NREL hebben gewerkt aan het drastisch verlagen van de productiekosten van III-V-cellen en het bieden van alternatieve celontwerpen, waardoor deze cellen economisch zijn voor een verscheidenheid aan nieuwe toepassingen.
De nieuwe III-V-cel werd ook getest op hoe efficiënt hij zou zijn in ruimtetoepassingen, met name voor communicatiesatellieten, die worden aangedreven door zonnecellen en waarvoor een hoge celefficiëntie cruciaal is, en kwam uit op 34,2 procent voor een begin van levensmeting. Het huidige ontwerp van de cel is geschikt voor omgevingen met weinig straling, en toepassingen met hogere straling kunnen mogelijk worden gemaakt door verdere ontwikkeling van de celstructuur.
NREL is het belangrijkste nationale laboratorium van het Amerikaanse ministerie van Energie voor onderzoek en ontwikkeling op het gebied van hernieuwbare energie en energie-efficiëntie. NREL wordt voor de afdeling Energie beheerd door de Alliance for Sustainable Energy LLC.
