ที่มา: solarindustrymag.com
นักวิจัยจากกระทรวงพลังงานสหรัฐห้องปฏิบัติการพลังงานทดแทนแห่งชาติ(NREL) ได้สร้างเซลล์แสงอาทิตย์ที่มีประสิทธิภาพสูงสุดเป็นประวัติการณ์ 39.5% ภายใต้ 1-การส่องสว่างของดวงอาทิตย์ทั่วโลก นี่คือเซลล์แสงอาทิตย์ที่มีประสิทธิภาพสูงสุดทุกประเภท วัดโดยใช้สภาวะแสงแดดมาตรฐาน 1-
Myles Steiner นักวิทยาศาสตร์อาวุโสของ NREL's High-Efficiency กล่าวว่า "เซลล์ใหม่มีประสิทธิภาพมากกว่าและมีการออกแบบที่เรียบง่ายกว่าซึ่งอาจเป็นประโยชน์สำหรับการใช้งานใหม่ๆ ที่หลากหลาย เช่น การใช้งานที่มีพื้นที่จำกัดสูง หรือการใช้งานในพื้นที่ที่มีรังสีต่ำ Crystalline Photovoltaics (PV) Group และผู้ตรวจสอบหลักในโครงการ เขาทำงานร่วมกับเพื่อนร่วมงานของ NREL Ryan France, John Geisz, Tao Song, Waldo Olavarria, Michelle Young และ Alan Kibbler
รายละเอียดของการพัฒนาได้ระบุไว้ในบทความเรื่อง "เซลล์แสงอาทิตย์แบบสามทางแยกที่มีภาคพื้นดิน 39.5 เปอร์เซ็นต์และประสิทธิภาพของพื้นที่ 34.2 เปอร์เซ็นต์ที่เปิดใช้งานโดย superlattices หลุมควอนตัมหนา" ซึ่งปรากฏในวารสาร Joule ฉบับเดือนพฤษภาคม
นักวิทยาศาสตร์ของ NREL เคยสร้างสถิติในปี 2020 ด้วยเซลล์แสงอาทิตย์แบบ 6 ทางแยกที่มีประสิทธิภาพ 39.2% โดยใช้วัสดุ III-V
เซลล์แสงอาทิตย์ล่าสุดที่ดีที่สุดหลายแห่งใช้สถาปัตยกรรมแบบ inverted metamorphic multijunction (IMM) ที่คิดค้นขึ้นที่ NREL เซลล์แสงอาทิตย์ IMM แบบสามทางแยกที่ปรับปรุงใหม่นี้ได้ถูกเพิ่มลงในแผนภูมิประสิทธิภาพเซลล์วิจัยที่ดีที่สุดแล้ว แผนภูมิซึ่งแสดงความสำเร็จของเซลล์แสงอาทิตย์รุ่นทดลอง รวมถึงสถิติ IMM แบบสามทางแยกก่อนหน้าที่ 37.9% ซึ่งก่อตั้งขึ้นในปี 2556 โดย Sharp Corporation of Japan
การปรับปรุงประสิทธิภาพเกิดขึ้นหลังจากการวิจัยเกี่ยวกับเซลล์แสงอาทิตย์ "บ่อน้ำควอนตัม" ซึ่งใช้ชั้นบางๆ จำนวนมากเพื่อปรับเปลี่ยนคุณสมบัติของเซลล์แสงอาทิตย์ นักวิทยาศาสตร์ได้พัฒนาเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดบ่อน้ำควอนตัมด้วยประสิทธิภาพที่ไม่เคยมีมาก่อน และนำไปใช้ในอุปกรณ์ที่มีจุดเชื่อมต่อสามจุดที่มีแถบความถี่ต่างกัน โดยที่จุดเชื่อมต่อแต่ละจุดจะถูกปรับให้จับและใช้สเปกตรัมแสงอาทิตย์ที่ต่างกันออกไป
วัสดุ III-V ที่ตั้งชื่อตามตำแหน่งที่พวกมันอยู่บนโต๊ะธาตุ ครอบคลุมช่วงคลื่นความถี่กว้างของพลังงาน ซึ่งช่วยให้สามารถกำหนดเป้าหมายส่วนต่างๆ ของสเปกตรัมแสงอาทิตย์ได้ ชุมทางด้านบนทำจากแกลเลียมอินเดียมฟอสไฟด์ (GaInP) ตรงกลางของแกลเลียมอาร์เซไนด์ (GaAs) ที่มีหลุมควอนตัม และด้านล่างของแกลเลียมอินเดียมอาร์เซไนด์ (GaInAs) ที่ไม่ตรงกันกับตาข่าย วัสดุแต่ละอย่างได้รับการปรับปรุงให้ดีที่สุดในช่วงหลายทศวรรษของการวิจัย
"องค์ประกอบสำคัญคือในขณะที่ GaAs เป็นวัสดุที่ดีเยี่ยมและโดยทั่วไปแล้วจะใช้ในเซลล์แบบมัลติจังก์ชัน III-V แต่ก็ไม่มีแถบคาดที่ถูกต้องสำหรับเซลล์แบบสามทางแยก ซึ่งหมายความว่าความสมดุลของโฟโตเคอร์เรนต์ระหว่างเซลล์ทั้งสามนั้นไม่เหมาะสม ," ฝรั่งเศส นักวิทยาศาสตร์อาวุโส และผู้ออกแบบเซลล์ให้ความเห็น "ที่นี่ เราได้แก้ไข bandgap ในขณะที่ยังคงคุณภาพวัสดุที่ดีเยี่ยมโดยใช้ควอนตัมเวลส์ ซึ่งช่วยให้อุปกรณ์นี้และแอพพลิเคชันอื่น ๆ ที่อาจเกิดขึ้นได้"
นักวิทยาศาสตร์ใช้หลุมควอนตัมในชั้นกลางเพื่อขยาย bandgap ของเซลล์ GaAs และเพิ่มปริมาณแสงที่เซลล์สามารถดูดซับได้ ที่สำคัญ พวกเขาพัฒนาอุปกรณ์ควอนตัมที่มีความหนาเชิงแสงโดยไม่สูญเสียแรงดันไฟฟ้าครั้งใหญ่ พวกเขายังได้เรียนรู้วิธีหลอมเซลล์ด้านบนของ GaInP ในระหว่างกระบวนการเติบโต เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพและวิธีลดความหนาแน่นของความคลาดเคลื่อนของเธรดใน GaInAs ที่ไม่ตรงกันซึ่งกล่าวถึงในสิ่งพิมพ์แยกต่างหาก วัสดุทั้งสามนี้รวมเอาการออกแบบเซลล์ใหม่
เซลล์ III-V ขึ้นชื่อในด้านประสิทธิภาพการทำงานสูง แต่ตามธรรมเนียมแล้วกระบวนการผลิตมีราคาแพง จนถึงตอนนี้ เซลล์ III-V ถูกใช้เพื่อจ่ายพลังงานให้กับแอพพลิเคชั่นต่างๆ เช่น ดาวเทียมในอวกาศ อากาศยานไร้คนขับ และการใช้งานเฉพาะกลุ่มอื่นๆ นักวิจัยที่ NREL กำลังทำงานเพื่อลดต้นทุนการผลิตของเซลล์ III-V ลงอย่างมาก และจัดหาการออกแบบเซลล์ทางเลือก ซึ่งจะทำให้เซลล์เหล่านี้ประหยัดค่าใช้จ่ายสำหรับการใช้งานใหม่ๆ ที่หลากหลาย
นอกจากนี้ เซลล์ III-V ใหม่ยังได้รับการทดสอบว่ามีประสิทธิภาพในการใช้งานในอวกาศมากเพียงใด โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับดาวเทียมสื่อสาร ซึ่งใช้พลังงานจากเซลล์แสงอาทิตย์ และประสิทธิภาพของเซลล์ที่สูงเป็นสิ่งสำคัญ และมาที่ 34.2 เปอร์เซ็นต์สำหรับการเริ่มต้น การวัดชีวิต การออกแบบปัจจุบันของเซลล์เหมาะสำหรับสภาพแวดล้อมที่มีการแผ่รังสีต่ำ และการประยุกต์ใช้การแผ่รังสีที่สูงขึ้นอาจเปิดใช้งานได้โดยการพัฒนาเพิ่มเติมของโครงสร้างเซลล์
NREL เป็นห้องปฏิบัติการระดับชาติหลักของกระทรวงพลังงานสหรัฐฯ สำหรับการวิจัยและพัฒนาพลังงานหมุนเวียนและประสิทธิภาพพลังงาน NREL ดำเนินการสำหรับแผนกพลังงานโดย Alliance for Sustainable Energy LLC
