Учёные сделали большой шаг вперёд на пути к освоению производства солнечных элементов, способных полностью использовать спектр солнечного излучения.

   Ввиду того, что солнечные элементы современного поколения, как правило, используют достаточно узкий диапазон спектра, значительная часть остаётся «за бортом» солнечных электростанций. За последние десять лет учёным удалось создать солнечные элементы, способные использовать полный спектр солнечного излучения, тем самым увеличив их к.п.д. и, соответственно, сократив издержки. Однако такие солнечные элементы сложны в производстве.

   Недавно, благодаря совместным усилиям сотрудников Научно-исследовательской группы по изучению свойств материалов для производства солнечной энергии при Научном отделении по изучению материалов Национальной лаборатории Лоренса Бэркли и сотрудников компании Sumika Electronics Materials, Inc., возможно, был наёден ключ к освоения массового производства солнечных элементов нового типа.

I.   Как найти нужный материал

   В идеале полупроводник должен поглощать весь спектр видимого и невидимого излучения, включая инфракрасное излучение, ультрафиолет и видимое излучение (белый цвет). К сожалению, таких устройств не существует.

    Владек Валукевич, руководитель Научного отделения по изучению материалов Лаборатории Бэркли, так прокомментировал сложившуюся ситуацию: «Поскольку не существует материала, восприимчивого ко всем длинам волн, основополагающий принцип для создания солнечных элементов, способных использовать спектр излучения в полном объёме, заключается в применении разных полупроводников, характеризующихся отличными друг от друга значениями ширины запрещённой зоны».

   Во многих случаях используемые полупроводники представляют собой сочетание из двух и более элементов, при этом один или несколько из них являются полупроводниками, такими как кремний или галлий. Химический состав сплава определяет диапазон длин волн, для поглощения которых предназначен используемый материал. Открытие научно-исследовательской группы под руководством доктора Валукевича, сделанное в 2002 году, заключается в том, что использование связующих слоёв в полупроводниках позволяет создать солнечный элемент с применением различных сплавов. В данном исследовании речь идёт об использовании сплавов индия и галлия в составе вещества InGaN.

   Затем в 2004 году группа учёных под руководством Валукевича открыла способ получения единого сплава, характеризующегося присутствием трёх зон: зоны валентности (valence band), промежуточной зоны (intermediate band) и зоны проводимости (conduction band), за счёт чего достигается возможность поглощения всего спектра излучения с использованием одного сплава. В состав сплава входят цинк (с содержанием марганца) и теллур, а также кислород. Несмотря на то, что полученные результаты были неплохими, конечный материал оказался слишком дорогостоящим и сложным для массового производства.

   Недавно этим учёным удалось получить полупроводниковый сплав, появление которого, по их мнению, является очень своевременным. Как и в случае со сплавом цинка, марганца, теллура и кислорода, новый сплав предполагает наличие трёх зон. Если взять арсенид галлия и заменить некоторые атомы мышьяка на атомы азота для формирования третьей зоны, получится полупроводниковый сплав. Замену атомов можно осуществить с применением технологии MOCVD, широко используемой в производстве композитных полупроводников.

   Сделанные открытия являются прекрасным примером того, как научно-исследовательская деятельность, не имеющая прямого отношения к производственному процессу, позволяет получать устойчивые повторяющиеся результаты, которые впоследствии перерастают в идеи, представляющие коммерческий интерес. Это также является иллюстрацией того, как теоретические изыскания помогают направить прогресс в сфере производства в нужное русло.

   Группа Валукевича использовала специальную разработанную в лаборатории модель под названием «модель с запретом перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости». Среди прочего, данная модель говорит о том, что заменяемый в сплаве химический элемент должен быть из той же группы периодической таблицы Менделеева. Используемая модель также даёт ключ к пониманию того, какое процентное соотношение элементов необходимо использовать. Оригинальный сплав, состоящий из цинка, марганца, теллура и кислорода, носит название «полупроводниковый сплав "II-VI"», в то время как новейшая разработка, представляющая собой сочетание галлия, мышьяка и азота, известна под названием «сплав III-V».

Ключом к созданию солнечных элементов, способных использовать весь спектр солнечного излучения, применение которых позволило бы повысить к.п.д. и сократить издержки, является выбор необходимого материала, изоляция промежуточного слоя и использование неспецифического, экономически целесообразного производственного процесса.

   II.  Получение необходимого для производства сплава

   Хотя исследователи имели чёткое представление о том, какое вещество и в какой пропорции необходимо использовать, ключом к созданию готового продукта стало изменение химического состава материала с целью изоляции промежуточной зоны. По словам Валукевича, «Промежуточная зона должна поглощать свет, однако в действительности она используется только как средство для достижения конечной цели и не должна принимать участия в передаче энергии – в противном случае фактически происходит короткое замыкание».

   Использовав дополнительные слои с добавлением нового элемента, учёные смогли изолировать центральный слой, гарантировав отсутствие короткого замыкания.

    Подтверждением работоспособности устройства послужили, в том числе, данные, полученные в ходе наблюдения в процессе воздействия электрическим током. В случае, когда материал солнечного элемента подвергается воздействию электрического тока, вместо процесса поглощения фотонов – его основной функции – происходит испускание фотонов (передача импульса с фотодиода на светодиод). В результате было отмечено три пика в видимом диапазоне и один пик в диапазоне инфракрасного излучения. Это означает, что новейшее устройство сможет не только достичь высоких значений к.п.д. в процессе поглощения солнечного света, но и может являться перспективной разработкой с точки зрения использования в качестве светодиода (например, для целей освещения или для работы полупроводниковых лазеров).

   Путь к созданию солнечных элементов с возможностью использования всего спектра солнечного света был долгим, однако, полученные результаты, опубликованные в статье «Технические аспекты реализации структуры полупроводниковых зон в солнечных элементах с многозонной организацией», убедительно доказывают: наконец-то удалось создать решение, имеющие коммерческую ценность. В написании статьи, опубликованной в журнале Physical Review Letters от 10 января 2011 г., принимали участие члены научно-исследовательской группы: Нэр Лопез (Nair Lopez), Лотар Райхертц (Lothar Reichertz), Кин Ман Ю (Kin Man Yu ) и Владислав Валукевич (Wladyslaw Walukiewicz), а также специалисты компании Sumika Electronic's Ken Campman.

Новая конструкция солнечных элементов, предложенная специалистами научно-исследовательской группы Национальной лаборатории Лоренса Беркли, в том числе, научным сотрудником Кин Ман Ю (Kin Man Yu) и руководителем группы Владислава Валукевича (Wladyslaw Walukiewicz, на фотографии), позволяет использовать полный спектр излучения с применением солнечных элементов на основе единого сплава, создаваемых с использованием неспецифичной технологии производства полупроводников. Полученный в ходе научных изысканий сплав, в состав которого входят галлий, мышьяк и азот, демонстрирует ещё одно немаловажное преимущество, связанное с возможностью отказа от использования в процессе производства очень редкого элемента – индия.