سلول‌های خورشیدی رکوردشکن با ولتاژ مدار باز ۲.۳۹ ولت توسط تیم کانادایی توسعه یافتند

محققان از کانادا موفق به توسعه سلول‌های خورشیدی شده‌اند که دارای ولتاژ مدار باز رکوردشکن می‌باشند.

طراحی این سلول‌های خورشیدی شامل فسفید ایندیوم گالیوم (InGaP)، آرسنید ایندیوم گالیوم (InGaAs)، و ژرمانیوم (Ge) است.

این سلول که توسط تیمی از دانشگاه شربروک توسعه یافته، دارای ولتاژ مدار باز رکورد ۲.۳۹ ولت برای سلول ۰.۲۵ میلی‌متر مربع و ۲.۲۸ ولت برای سلول ۰.۰۴ میلی‌متر مربع است که حفاظت لبه مؤثر را نشان می‌دهد.

سلول‌ها تحت تابش استاندارد آزمایش شدند و سلول ۰.۲۵ میلی‌متر مربع همچنین بازدهی ۳۰.۶۱ درصدی را کسب نمود. سلول‌های خورشیدی در مقیاس میکرونی III-V (آلیاژهایی ساخته شده از عناصر گروه‌های III و V جدول تناوبی) برای کاربردها در فتوولتائیک متمرکز (CPV) هدف‌گذاری شده‌اند.

مینیاتور سازی مؤثر سلول‌های خورشیدی

مواد III-V برای ساخت نیمه‌رساناهایی با گپ باند قابل تنظیم کلیدی است که به سلول‌های خورشیدی اجازه می‌دهد طیف گسترده‌ای از نور، از ماوراء بنفش تا مادون‌قرمز میانی، را جذب کنند.

با چیدن لایه‌های III-V (سلول‌های چند پیوندی)، سلول‌های خورشیدی به بازدهی بالاتری نسبت به سلول‌های مبتنی بر سیلیکون می‌رسند و رکورد فعلی ۳۹.۵ درصد است. اما مواد III-V گران هستند و بیش از ۱۰۰ برابر بیشتر از فناوری سیلیکونی معمول هزینه دارند.

سیستم‌های CPV با استفاده از لنزها برای تمرکز نور خورشید، هزینه‌ها را کاهش می‌دهند و بهبود عملکرد را دارند، زیرا با افزایش تمرکز نور، ولتاژ افزایش می‌یابد. CPV تحت نور خورشید متمرکز به بازدهی بالای ۴۴.۴ درصد دست یافته است. با این حال، کاهش هزینه‌های سیلیکون CPV را کمتر رقابتی می‌کند.

مینیاتور کردن سلول‌های CPV به اندازه‌های زیر میلی‌متر نویدبخش است و مدیریت حرارتی بهتر و کاهش تلفات انرژی را فراهم می‌کند. با این حال، سلول‌های کوچکتر با چالش‌هایی مانند نقائص لبه‌ای مواجهند که موجب کاهش ولتاژ می‌شود. فرآیند خرد کردن پلاسما، به ویژه با هیدروژن، این نقائص را به حداقل می‌رساند و بازدهی را افزایش می‌دهد.

حداکثر سازی بازدهی سلول

در این مطالعه، محققان ساخت سلول‌های خورشیدی در شکل‌ها و اندازه‌های مختلف را بررسی کردند. سلول‌های خورشیدی از یک ویفر تجاری InGaP/InGaAs/Ge ساخته شده‌اند. این فرآیند با افزودن یک تماس جلوی کم مقاومت برای بهبود عملکرد تحت تمرکز بالای نور خورشید آغاز می‌شود.

سلول‌ها با استفاده از اچینگ پلاسما که اثرات لبه‌ای را به حداقل می‌رساند و ولتاژ را در سلول‌های کوچک‌تر افزایش می‌دهد، جدا می‌شوند. یک تماس پشتی اضافه می‌شود و سپس یک مرحله پاکسازی که بهبود بیشتر ولتاژ را فراهم می‌کند. لایه‌ای ضد انعکاس برای کاهش افت نور به کار گرفته می‌شود.

با استفاده از اچینگ پلاسما، سلول‌های خورشیدی با اندازه‌ها و شکل‌های مختلف ایجاد می‌شوند، از جمله مربع، دایره، مثلثی، و حتی طرح‌های برگ افرا. اندازه‌ها از ۱۲.۲۵ میلی‌متر مربع تا ۰.۰۱ میلی‌متر مربع گسترش دارند، با حداقل از دست رفتن مواد، که استفاده مؤثر از ویفر را تضمین می‌کند.

برای درک بهتر اتلاف ولتاژ، زیر سلول‌ها با اندازه‌های مختلف به صورت جداگانه تحلیل می‌شوند. مقادیر نظری ولتاژ برای هر زیر سلول در یک تنظیم سه پیوندی محاسبه و با اندازه‌گیری واقعی مقایسه می‌شود.

به گفته تیم، تجزیه‌وتحلیل اتلاف‌های باز ترکیبی غیرتشعشعی نشان داد که سلول بالایی بیشترین تأثیرپذیری را از بازترکیب محیطی دارد. بنابراین، اولویت‌دهی به پاسیو کردن سلول بالایی ضروری است تا افت ولتاژ (V) با کاهش اندازه سلول را به حداقل برساند.

کورنتین ژوانو، پژوهشگر اصلی از دانشگاه شربروک، به مجله PV گفت: «سلول خورشیدی ما بالاترین ولتاژ مدار باز را برای InGaP/InGaAs/Ge در اندازه‌های مختلف در ادبیات به دانش ما به دست آورد. دستگاه همچنین به بازدهی تبدیل قدرت بیش از ۳۰ درصد دست یافت.»

این یافته‌ها بینش‌های ارزشمندی برای هدایت تحقیقات آینده در جهت بهبود سلول‌های چندگانه ساخته شده از مواد III-V ارائه می‌دهند.

جزئیات تحقیق تیم در مجله مواد انرژی خورشیدی و سلول‌های خورشیدی منتشر شده است.