Cienkowarstwowe i monochromatyczne światło laserowe w wydajności ogniw fotowoltaicznych

Naukowcy z Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE osiągnęli sprawność konwersji 68,9% dla ogniwa fotowoltaicznego z półprzewodników III-V na bazie arsenku galu (GaAs) naświetlanego światłem lasera o długości fali 858 nm. Jest to podobno najwyższa sprawność, jaką udało się do tej pory osiągnąć w konwersji światła na energię elektryczną.

Badania nad cienkowarstwowymi technologiami

Zespół wykorzystał technologię cienkowarstwową, w której warstwy ogniwa słonecznego są najpierw hodowane na podłożu arsenku galu, które następnie jest usuwane. Na tylną powierzchnię pozostałej struktury półprzewodnikowej, która ma grubość zaledwie kilku mikrometrów, nakłada się przewodzące, silnie odbijające lustro.

W ogniwach fotowoltaicznych światło jest absorbowane w strukturze ogniwa, wykonanej na przykład z materiału półprzewodnikowego arsenku galu. Zaabsorbowane światło uwalnia ładunki dodatnie i ujemne, które z kolei są przewodzone do przednich i tylnych styków ogniwa, generując energię elektryczną. Ten "efekt fotowoltaiczny" jest szczególnie wydajny, gdy energia padającego światła leży nieco powyżej tzw. energii przerwy pasmowej, która jest właściwa dla materiału półprzewodnikowego.

Dlatego teoretycznie możliwe są bardzo wysokie sprawności, gdy monochromatyczne źródło światła laserowego zostanie dopasowane do odpowiedniego materiału półprzewodnikowego.

"Moc światła"

W tej nowej formie przesyłu energii, zwanej mocą światła, energia laserowa jest dostarczana przez powietrze lub światłowód do ogniwa fotowoltaicznego, którego właściwości odpowiadają mocy i długości fali monochromatycznego światła laserowego. W porównaniu z konwencjonalnym przesyłem energii za pomocą miedzianych przewodów, systemy power by light są szczególnie korzystne w zastosowaniach wymagających np. galwanicznie izolowanego zasilania, ochrony przed wyładowaniami atmosferycznymi lub eksplozjami, kompatybilności elektromagnetycznej lub całkowicie bezprzewodowego przesyłu energii.

Rekordowa sprawność ogniw fotowoltaicznych

Zespół badawczy Fraunhofer ISE osiągnął rekordową sprawność konwersji 68,9% w monochromatycznym świetle lasera za pomocą nowego cienkowarstwowego ogniwa fotowoltaicznego opartego na arsenku galu. Zespół twierdzi, że wydajność ta jest rekordem w dziedzinie konwersji światła na energię elektryczną.

Szef zespołu badawczego Fraunhofer ISE, powiedział, że wykorzystana metoda cienkowarstwowa ma dwie wyraźne zalety dla wydajności. "Po pierwsze, fotony są uwięzione w ogniwie, a absorpcja jest zmaksymalizowana dla energii fotonów, co jednocześnie minimalizuje termalizację i straty transmisji, dzięki czemu ogniwo jest bardziej wydajne. Po drugie, fotony dodatkowo generowane wewnętrznie w wyniku rekombinacji promienistej zostają uwięzione i skutecznie poddane recyklingowi. Wydłuża to efektywny czas życia nośników, co dodatkowo zwiększa napięcie".

Technologie przyszłości

Zastosowania technologii obejmują monitorowanie strukturalne turbin wiatrowych, monitorowanie linii wysokiego napięcia, czujniki paliwa w zbiornikach samolotów, pasywne sieci optyczne, optyczne zasilanie implantów z zewnątrz ciała lub bezprzewodowe zasilanie dla aplikacji.