Фотоэлектрические элементы третьего поколения — это солнечные элементы , которые потенциально способны преодолеть предел Шокли-Кейсера в 31–41% энергоэффективности для однозонных солнечных элементов. Сюда входит ряд альтернатив ячейкам, изготовленным из полупроводниковых pn-переходов («первое поколение») и тонкопленочным элементам («второе поколение»). Обычные системы третьего поколения включают многослойные («тандемные») элементы, изготовленные из аморфного кремния или арсенида галлия , в то время как более теоретические разработки включают преобразование частоты (т.е. изменение частот света, которые клетка не может использовать, на частоты света, которые ячейка может использовать). использование - таким образом производя больше мощности), эффекты горячей несущей и другие методы выброса нескольких несущих. [1] [2] [3] [4] [5]
К новым фотоэлектрическим технологиям относятся:
Огромное внимание общественности привлекли достижения в исследовании перовскитных клеток, поскольку эффективность их исследований недавно превысила 20 процентов. Они также предлагают широкий спектр недорогих приложений. [6] [7] [8] Кроме того, еще одна новая технология — фотоэлектрические концентраторы (CPV) — использует высокоэффективные многопереходные солнечные элементы в сочетании с оптическими линзами и системой слежения.
Солнечные элементы можно рассматривать как видимые аналоги радиоприемников . Ресивер состоит из трех основных частей; антенна, которая преобразует радиоволны (свет) в волнообразные движения электронов в материале антенны, электронный клапан, который улавливает электроны, когда они выскакивают из конца антенны, и тюнер, который усиливает электроны выбранной частоты. Можно построить солнечный элемент, идентичный радиоприемнику, систему, известную как оптическая ректенна , но на сегодняшний день это непрактично.
Большую часть рынка солнечной электроэнергии составляют устройства на основе кремния. В кремниевых ячейках кремний действует как антенна (или донор электронов , технически), а также электронный клапан. Кремний широко доступен, относительно недорог и имеет запрещенную зону, идеальную для сбора солнечной энергии. С другой стороны, массовое производство кремния энергетически и экономически дорого, и были предприняты большие усилия, чтобы сократить необходимое количество. Более того, он механически хрупкий, поэтому обычно требуется использовать лист прочного стекла в качестве механической опоры и защиты от непогоды. Одно только стекло составляет значительную часть стоимости типичного солнечного модуля.
Согласно пределу Шокли-Кейсера, большая часть теоретической эффективности ячейки обусловлена разницей в энергии между запрещенной зоной и солнечным фотоном. Любой фотон с энергией, превышающей ширину запрещенной зоны, может вызвать фотовозбуждение, но любая энергия выше энергии запрещенной зоны теряется. Рассмотрим солнечный спектр; лишь небольшая часть света, достигающего земли, является синей, но энергия этих фотонов в три раза превышает энергию красного света. Ширина запрещенной зоны кремния составляет 1,1 эВ, что примерно так же, как у красного света, поэтому в этом случае энергия синего света теряется в кремниевой ячейке. Если ширина запрещенной зоны настроена выше, скажем, на синий цвет, эта энергия теперь улавливается, но только за счет отклонения фотонов с более низкой энергией.
Можно значительно улучшить однопереходную ячейку, укладывая друг на друга тонкие слои материала с различной шириной запрещенной зоны - подход «тандемной ячейки» или «многопереходного» . Традиционные методы получения кремния не подходят для такого подхода. Вместо них использовались тонкие пленки аморфного кремния, в частности продукция Uni-Solar , но другие проблемы не позволили им достичь производительности, сравнимой с традиционными элементами. Большинство структур тандемных ячеек основаны на полупроводниках с более высокими характеристиками, в частности на арсениде галлия (GaAs). Трехслойные элементы GaAs достигли эффективности 41,6% для экспериментальных примеров. [9] В сентябре 2013 года четырехслойная ячейка достигла эффективности 44,7 процента. [10]
Численный анализ показывает, что «идеальный» однослойный солнечный элемент должен иметь ширину запрещенной зоны 1,13 эВ, что почти точно так же, как у кремния. Такая ячейка может иметь максимальную теоретическую эффективность преобразования энергии 33,7% — солнечная энергия ниже красного (в инфракрасном диапазоне) теряется, а также теряется дополнительная энергия более высоких цветов. Для двухслойной ячейки один слой должен быть настроен на 1,64 эВ, а другой на 0,94 эВ, с теоретической производительностью 44%. Трехслойная ячейка должна быть настроена на 1,83, 1,16 и 0,71 эВ с эффективностью 48%. Теоретическая ячейка с «бесконечным слоем» будет иметь теоретическую эффективность 68,2% для рассеянного света. [11]
Хотя новые открытые солнечные технологии основаны на нанотехнологиях, в настоящее время используется несколько различных методов работы с материалами.
Маркировка третьего поколения охватывает множество технологий, в том числе неполупроводниковые технологии (включая полимеры и биомиметики ), квантовые точки , тандемные/многопереходные элементы , солнечные элементы с промежуточной полосой , [12] [13] элементы с горячими носителями , повышающее преобразование фотонов. и технологии понижающего преобразования, а также солнечные тепловые технологии, такие как термофотоника , которая является одной из технологий, которую Грин определил как третье поколение. [14]
Сюда также входят: [15]
