Дослідникам-фізикам з Лундського університету у Швеції нещодавно вдалося побудувати невеликі антени для збору сонячного випромінювання — нанодроти — з використанням трьох різних матеріалів, які краще відповідають сонячному спектру порівняно з сучасними кремнієвими сонячними елементами. Оскільки нанодроти легкі та вимагають мало матеріалу на одиницю площі, тепер їх планують встановити для випробувань на супутниках, які живляться від сонячних батарей і де ефективність у поєднанні з малою вагою є найважливішим фактором. Нові сонячні елементи були відправлені в космос кілька днів тому.
Група дослідників з наноінженерії з Університету Лунда, яка працювала над сонячними елементами, минулого року зробила прорив, коли їм вдалося побудувати фотоелектричні однодротови з трьома різними ширинами забороненої зони. Іншими словами, це означає, що один і той же нанодріт складається з трьох різних матеріалів, які реагують на різні частини сонячного світла. Результати були опубліковані в Materials Today Energy, а згодом більш детально в Nano Research.
«Великим завданням було змусити струм передавати між матеріалами. Це зайняло понад десять років, але зрештою це спрацювало», — каже Магнус Боргстрьом, професор фізики твердого тіла, який написав статті разом із тодішнім докторантом Лукасом. Граховина.
У всьому світі існує близько десяти дослідницьких груп, які активно зосереджуються на нанодротових сонячних елементах.
«Завдання полягало в тому, щоб об’єднати різні заборонені зони в сонячних елементах, і тепер ці двері нарешті відчинилися», — каже Магнус Боргстрем.
Альтернатива кремнію в майбутньому
Сонячні батареї з різними ширинами забороненої зони, відомі як тандемні сонячні батареї, поки що в основному знаходяться на супутниках і є предметом інтенсивних досліджень. Мета дослідження полягає в тому, щоб значно підвищити ефективність, можливо, подвоїти ефективність сучасних комерційних кремнієвих сонячних елементів (близько 20%).
«Кремнієві сонячні батареї незабаром досягли свого максимального ліміту ефективності. Тому зараз увага зосереджена на розробці тандемних сонячних елементів. Варіанти, встановлені на супутниках, занадто дорогі, щоб їх поставити на дах», — каже Магнус Борґстрьом.
Найпоширенішим способом побудови тандемних сонячних батарей є синтез різних напівпровідникових матеріалів один на одному, матеріалів, які можуть поглинати різні частини сонячного спектра. Тандемні сонячні батареї на основі кремнію викликають великий інтерес і включають укладання тонких напівпрозорих плівок з іншого світло уловлювального матеріалу поверх кремнію.
Дослідники з Лунда використовують дещо інший підхід. Вони розробили метод, за яким будують надзвичайно тонкі стрижні з напівпровідникового матеріалу на підкладці. Перевагою є невелика кількість матеріалу на одиницю площі, що може знизити витрати на виробництво та стати більш екологічною альтернативою.
Стрижні нанометрової товщини складаються з трьох матеріалів, які містять різну кількість індію, миш’яку, галію та фосфору. У лабораторії дослідники наразі досягли ефективності 16,7%. Колега, Ян Чен, показав, що нанодротові сонячні батареї мають потенціал для досягнення ефективності 47% за допомогою поточної структури. Для досягнення ще вищої ефективності потрібна більша ширина забороненої зони.
На наступному етапі він і його колеги оптимізують потрійні діоди, покращивши тунельні переходи, які з’єднують різні матеріали в структурі, і спробують зменшити вплив поверхні нанодротів, що дуже важливо в наномасштабі.
Окрім покращеного поглинання світла, нанодротові сонячні батареї характеризуються довговічністю, оскільки вони можуть, наприклад, протистояти шкідливому випромінюванню в космосі краще, ніж відповідні тандемні сонячні батареї на основі плівки.
«Лист нанодротів можна порівняти з дуже рідкісним шаром цвяхів. Якби якісь агресивні протони з’явилися, що час від часу трапляється, вони, ймовірно, приземлилися б між дротами, і якби вони знищили деякі дроти, це не мало б великого значення. Пошкодження може бути гіршим, якщо вони потраплять на звичайну тонку плівку».
Тестування в космосі навесні
Ці переваги призвели до того, що нанодротові сонячні батареї нещодавно були встановлені на дослідницькому супутнику, який було відправлено в космос на другому тижні січня партнерами дослідників з Каліфорнійського технологічного інституту, Каліфорнійський технологічний інститут, США.
«Багато наших цифрових комунікацій контролюють супутники, які, своєю чергою, живляться від сонячних батарей. Супутники передають GPS, телевізійні передачі, трафік даних, мобільні телефонні дзвінки та дані про погоду».
Супутник буде на орбіті протягом весни, і очікується, що результати будуть отримані на постійній основі. Магнус Боргстрьом вважає, що тандемні сонячні батареї також з’являться на Землі в довгостроковій перспективі, але принаймні спочатку сонячні батареї, які не містять кремнію, будуть використовуватися в нішевих додатках, таких як одяг, вікна та декор.