Фотоэлектрические устройства нового поколения открывают путь к более экономичной чистой энергии

Тонкопленочные солнечные фотоэлектрические устройства являются одной из лучших возможностей для быстрого расширения присутствия возобновляемых источников энергии. Наибольший потенциал наблюдается у систем, использующих полупроводник теллурид кадмия (CdTe PV).

Такие устройства уже выведены на рынок и вырабатывают 17,5 ГВт мировой энергии, отмечает phys.org. В некоторых проектах муниципального масштаба электричество от фотоэлектрических элементов на CdTe обходится дешевле, чем от ископаемого топлива. Нормированная стоимость энергии (LCOE) от них – около 4 центов за кВт-ч. Для остальных источников в США этот показатель в среднем составляет 11 центов за кВт-ч. Кроме того, выделение тяжелого металла кадмия за время эксплуатации фотоэлектрических устройств меньше, чем от другого оборудования на одинаковое количество энергии. Системы с CdTe используют сотую часть полупроводникового материала, присутствующего в углеродно-кремниевых ФЭ-панелях – наиболее распространенном сегодня решении. И скорость их производства в 24 раза выше.

Для дальнейшего удешевления электричества от CdTe PV, исследователи из Колорадского университета вместе с партнерами из Центра разработки фотовольтаики нового поколения разработали дорожную карту производительности. Прогресс с 2014-го отмечается 3 улучшениями в основной структуре CdTe PV. Достичь его удалось благодаря новым методам обработки, предложенным Колорадским университетом, вместе с современным определением характеристик материалов от его партнеров.

Первым плюсом стала замена традиционного эмиттерного слоя из CdS на оксид цинка с вкраплениями магния (MZO). Он позволяет большему числу фотонов доходить до поглотителя из CdTe и уменьшает рекомбинацию на границе раздела.

Вторым улучшением в 2016-м было внедрение слоя теллура на задней поверхности полупроводника. Он увеличил контакт и эффективность, доведя КПД ФЭ-устройств Колорадского университета до 18,3%.

Крупнейшим прорывом стало включение слоя из сплавов CdTe и CdSe (CdSeTe) на лицевой поверхности CdTe. Один из его плюсов – меньшая энергетическая щель, обеспечивающая более мощный поток. Сплав также имеет большее рекомбинационное время жизни, чем CdTe, и, похоже, формирует электрическое поле в предпочтительном направлении для передачи в это соединение. Эти характеристики довели КПД разработки до 19,2% в 2017-м. Исследователи надеются повысить эффективность до 25% в ближайшие 3 года, и до 30% — в более удаленном будущем. Ее рост приведет к снижению LCOE устройства. Исследователи также создали системы пилотного масштаба, которые уже готовы к переводу в промышленное производство.