Группа ученых из Санкт-Петербурга предложила и экспериментально опробовала технологию создания высокоэффективных солнечных батарей на основе А3В5 полупроводниковых соединений на кремниевой подложке, которые в будущем могут иметь эффективность в полтора раза больше и при этом более низкую себестоимость, чем нынешние фотовольтаические преобразователи с одним каскадом.

Появление данной технологии некогда было предсказано нобелевским лауреатом Жоресом Ивановичем Алферовым. Результаты работы ученых опубликованы в журнале Solar Energy Materials and Solar Cells.

Сегодня, когда в мире сокращаются запасы источников углеводородного топлива и все больше растет обеспокоенность общественности вопросами экологии, ученые уделяют пристальное внимание развитию так называемых «зеленых технологий». Одной из самых популярных тем является развитие солнечной энергетики.

Однако более широкому использованию солнечных батарей препятствует ряд проблем. Ставшие традиционными кремниевые солнечные батареи имеют сравнительно небольшую эффективность — около 20–25%. Более эффективные технологии требуют заметно более сложных полупроводниковых соединений, что значительно повышает цену самих солнечных элементов.

Петербургские ученые предложили решение проблемы. Исследователи из Университета ИТМО, Академического университета имени Ж. И. Алферова и Физико-технического института имени А. Ф. Иоффе показали, что A3B5 структуры можно вырастить на дешевой кремниевой подложке, что позволит существенно сократить стоимость многокаскадного солнечного элемента.

«Наша работа посвящена созданию эффективных солнечных элементов на основе А3В5 на кремниевой подложке, — рассказывает Иван Мухин, сотрудник Университета ИТМО, заведующий лабораторией Академического университета, который является соавтором исследования. — Главная сложность синтеза полупроводниковых соединений на кремниевой подложке состоит в том, что полупроводник должен обладать таким же параметром кристаллический решетки, как у кремния. Грубо говоря, атомы этого материала должны находиться на таком же расстоянии друг от друга, что и атомы кремния. К сожалению, полупроводников, отвечающих этому требованию, немного. К примеру, фосфид галлия (GaP). Однако он сам не очень подходит для создания солнечных элементов, так как плохо поглощает солнечный свет. Но вот если взять GaP и добавить азот N, мы получим раствор GaPN. Уже при малых концентрациях N данный материал становится прямозонным и хорошо поглощает свет, при этом может быть интегрирован на кремниевую подложку. Ко всему прочему кремний является не просто фундаментом, на который синтезируется фотоматериал — он сам может выступать одним из фотоактивных слоев солнечного элемента, поглощающим свет в ИК-диапазоне. Одним из первых идея совмещения A3B5 структур и кремния была озвучена Жоресом Ивановичем Алферовым».

В лаборатории ученым удалось получить верхний слой солнечной батареи, интегрированный на кремниевую подложку. Если таких фотоактивных слоев будет больше, то и эффективность солнечной батареи станет существенно выше, так как каждый слой солнечной батареи будет эффективно поглощать свою часть солнечного спектра.

Пока в лаборатории был создан первый небольшой прототип солнечной батареи на основе элементов А3В5 на кремниевой подложке. Сейчас перед учеными стоит задача создать солнечный элемент, имеющий в своем составе несколько фотоактивных слоев. Такие солнечные батареи заметно эффективнее поглощают солнечный свет и генерируют электрическую энергию.

«Мы научились растить самый верхний слой. Эта система материалов потенциально может быть использована и для промежуточных слоев. Если добавить мышьяк As, то получится GaPNAs — из него на кремниевой подложке можно вырастить несколько каскадов, работающих в разных частях солнечного спектра. Как показали наши предыдущие работы, потенциально эффективность таких солнечных батарей может превышать 40% при концентрации света, то есть быть в 1,5 раза выше, нежели в современных Si технологиях», — заключает Иван Мухин.