Vedci z japonského výskumného centra National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) oznámili nový rekord v účinnosti solárnych článkov využívajúcich polovodičový materiál CuGaSe₂.

Experimentálny fotovoltický článok dosiahol účinnosť premeny slnečnej energie na elektrinu na úrovni 12,28 %, čo predstavuje najlepší doteraz publikovaný výsledok pre širokopásmové chalkogenidové solárne články v energetickom pásme približne 1,65 až 1,75 eV, upozorňuje Interesting Engineering.

Zbaví sa drahého prvku

Použitý materiál, známy ako Copper gallium selenide, patrí do rodiny chalkopyritových polovodičov. Ide o príbuzný materiál technológie Copper indium gallium selenide (CIGS), ktorá sa už dlhšie využíva v tenkovrstvovej fotovoltike. Zásadný rozdiel spočíva v tom, že CuGaSe₂ neobsahuje indium, ktoré patrí medzi relatívne vzácne a drahé prvky. Práve absencia india robí z tohto materiálu perspektívneho kandidáta pre budúce generácie ekologickejších a potenciálne lacnejších solárnych technológií.

Fyzikálne vlastnosti CuGaSe₂ sú pre fotovoltiku mimoriadne zaujímavé. Materiál má priamu energetickú medzeru približne 1,68 eV, čo znamená, že veľmi efektívne absorbuje viditeľné svetlo. Takáto hodnota bandgapu je ideálna najmä pre horné vrstvy tandemových solárnych článkov, kde sa kombinuje viacero polovodičových materiálov s rôznou energetickou medzerou.

Širokopásmový materiál v hornej vrstve zachytáva vysokoenergetické fotóny zo slnečného spektra, zatiaľ čo spodná vrstva využíva fotóny s nižšou energiou. Výsledkom je výrazne vyššia celková účinnosť než pri klasických jednovrstvových článkoch.

Vedúci autor štúdie Shogo Ishizuka zdôrazňuje, že dosiahnutá účinnosť 12,28 % je zatiaľ najvyššia hodnota zaznamenaná pre širokopásmové chalkogenidové články bez obsahu india. Rekord zároveň prekonal predchádzajúce výsledky uvedené v prestížnom prehľade účinností fotovoltických technológií publikovanom v časopise Progress in Photovoltaics.

Jedným z dôvodov dobrého výkonu CuGaSe₂ je jeho vysoká tolerancia voči kryštálovým defektom. V mnohých polovodičových materiáloch spôsobujú nedokonalosti v kryštálovej mriežke výrazné straty energie, pretože urýchľujú rekombináciu nosičov náboja.

Implementuje viacero vylepšení

V prípade CuGaSe₂ však materiál dokáže tieto defekty relatívne dobre tolerovať, čo znamená, že elektróny a diery majú väčšiu šancu byť zachytené elektródami skôr, než sa navzájom zrekombinujú. Táto vlastnosť je kľúčová pre stabilnú prevádzku solárneho článku.

Samotná štruktúra rekordného zariadenia je výsledkom veľmi presne riadeného výrobného procesu. Absorpčná vrstva z CuGaSe₂ vznikla trojstupňovým depozičným postupom, počas ktorého vedci pridávali malé množstvá hliníka a fluoridu rubídia. Prítomnosť týchto prvkov upravuje elektrické vlastnosti materiálu a pomáha zvyšovať napätie článku naprázdno, čo je jeden z kľúčových parametrov určujúcich jeho účinnosť.

Pixabay

Zaujímavou konštrukčnou úpravou je aj implementácia takzvaného spätného povrchového poľa (back-surface field). Hliník je integrovaný v zadnej oblasti absorpčnej vrstvy, kde vytvára elektrické pole smerujúce nosiče náboja späť k aktívnej oblasti článku. Tým sa znižujú energetické straty a zlepšuje zber minoritných nosičov náboja, čo sa prejavuje vyšším napätím naprázdno aj lepším tzv. fill factorom.

Celý článok je postavený na substráte zo sodnovápenatého skla, na ktorom sa nachádza molybdénový zadný kontakt. Nad ním leží absorpčná vrstva z CuGaSe₂ bez obsahu india. Nasleduje približne 150-nanometrová vrstva sulfidu kadmia fungujúca ako pufrová vrstva, na ktorú nadväzuje priehľadná vrstva oxidu zinočnatého a nakoniec kovová mriežková elektróda. Takto navrhnutá viacvrstvová architektúra zabezpečuje efektívny transport náboja a maximálne využitie dopadajúceho slnečného žiarenia.

Výskumníci zároveň upozorňujú, že ide zatiaľ o základný výskum. Cieľom projektu je predovšetkým vývoj širokopásmových materiálov vhodných ako horné články pre tandemové fotovoltické systémy. Aby sa technológia mohla reálne uplatniť v praxi, bude potrebné ju skombinovať s kompatibilným spodným článkom a vytvoriť kompletnú tandemovú architektúru.

Čítajte viac z kategórie: Elektromobilita