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 полупров��дников) 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.