Альтернативная энергетика занимает крупную долю рынка в ряде стран Европы и в США. Фонды инвестируют значительные средства в создание солнечных тепловых и фотоэлектрических станций. Что касается солнечных элементов, количество вырабатываемой ими энергии зависит от КПД преобразования солнечной энергии в электрическую. Научные и коммерческие организации уже много лет занимаются повышением этого показателя, и надо сказать, некоторым разработчикам это удается.

Теоретический предел эффективности работы кремниевых фотоэлементов составляет 29%. Говоря о таком пределе, подразумевается «чистый» фотоэлемент без призм, концентраторов и прочих добавлений. Для коммерческих систем современности очень хорошим показателем можно считать 15–19%. Разработчикам компании Kaneka Corporation удалось повысить КПД своих фотоэлементов до 26,3%, побив предыдущий рекорд в 25,6%.

Ученые, принимавшие участие в создании этих фотоэлементов, заявили, что могут повысить КПД еще немного, до 26,6%, но для этого нужно еще некоторое время для дополнительных исследований. Результат, заявленный японцами, подтвержден специальной комиссией, National Renewable Energy Lab (NREL).

Разработчики фотоэлемента нового типа рассказали о том, что площадь полезной поверхности ячейки составляет 180.4 см2. В батарее использовался тонкопленочный гетеропереход (контакт двух разных полупроводников) для минимизации так называемых запрещенных зон. Это области значений энергии, которыми не может обладать электрон. Плюс ко всему, верхний слой батареи был накрыт аморфным кремнием с противоотражающим покрытием для минимизации альбедо и снижения рассеивания фотонов.

Сеть электродов была опущена с поверхности ячейки к ее «дну». Таким образом создателям, по их словам, удалось увеличить количество солнечных лучей, поступающих в ячейку с одновременным уменьшением оптических потерь.

Разработчики, проанализировав потери энергии в новой батарее, смогли понять, что мешает достичь КПД в 29%, теоретического предела для фотоэлементов. Полпроцента потерь, по отношению к 29% — это потери из-за сопротивления проводников, 1% — потери солнечной энергии в оптическом слое и 1,2% — потери при внешней рекомбинации. Это случаи встречи свободных электронов с положительно заряженными дырками с последующим воссоединением с положительными ионами.

«Существует большое количество материалов, техпроцессов и типов архитектуры фотоэлементов, которые можно использовать», — говорит Кунта Ёсикава, представитель команды разработчиков солнечной ячейки из компании Kaneka. — «Мы достигли эффективности в 26,3% благодаря разработке собственной технологии химического осаждения структурных элементов батареи из парообразного состояния, работе с оптическими свойствами материала и тонкопленочной технологии».

Эта компания разрабатывает тонкопленочные солнечные батареи, начиная с 1980 года. Над фотоэлементами с гетеропереходом Kaneka работает с 2009 года. «Один из ключевых шагов для создания таких фотоэлементов — использование химического плазменного осаждения — процесса, который можно использовать в промышленности», — заявил Ёсикава.

По его мнению, при создании высокоэффективного фотоэлемента необходимо соблюдать баланс между таким важным критерием, как срок службы батареи, внутренним сопротивлением и ее оптическими свойствами. «Хотя вполне возможно достичь выдающихся результатов для одного из названных факторов, чрезвычайно сложно соблюдать баланс всех трех свойств в одном устройстве, — говорят разработчики.

Прогресс в КПД фотоэлементов с 70-х годов прошлого века по наши дни

Японцам это удалось благодаря использованию специфической архитектуры передней панели, которая обеспечивает отличные оптические свойства и одновременно продолжительность жизни фотоэлемента. Плюс ко всему, специалисты добились и снижения внутреннего сопротивления батареи, хотя это было и непросто.

Представители компании Kaneka заявляют, что технологический процесс создания таких элементов можно использовать на предприятиях для производства солнечных батарей с высоким КПД в промышленных количествах. Исследование было профинансировано NEDO (New Energy and Industrial Technology Development Organization). Сейчас разработчики вместе с NEDO планируют добавиться снижения себестоимости „солнечного“ электричества до отметки в 0,06$ за киловатт-час к 2030 году.

Компания Panasonic несколько лет назад тоже занималась повышением КПД фотоэлементов. Разработчикам этой компании удалось повысить показатель вплоть до 25,6%. Площадь поверхности солнечного элемента у Panasonic составила 143,7 см2. Кстати, эта команда тоже использовала тонкопленочный гетеропереход.