NREL、最高効率の1太陽電池を開発(NREL Creates Highest Efficiency 1-Sun Solar Cell)

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2022-05-18 アメリカ国立再生可能エネルギー研究所(NREL)

米国エネルギー省の国立再生可能エネルギー研究所(NREL)の研究者は、1日1回の太陽光照射で39.5%の効率を記録した太陽電池を開発しました。これは、標準的な1日太陽光の条件で測定した、あらゆるタイプの太陽電池の中で最も高い効率です。
最近の優れた太陽電池のいくつかは、NRELで発明された逆変形多接合(IMM)アーキテクチャをベースにしています。このたび、新たに強化されたトリプルジャンクションIMM太陽電池が、「ベストリサーチセル効率チャート」に追加されました。このチャートは、実験用太陽電池の成功を示すもので、日本のシャープ株式会社が2013年に確立した37.9%の3接合IMMの記録も含まれています。
今回の効率向上は、太陽電池の特性を変更するために非常に薄い層を多数利用する「量子井戸」太陽電池の研究を受けたものです。今回、前例のない性能を持つ量子井戸太陽電池を開発し、バンドギャップの異なる3つの接合を持つデバイスに実装しました。
III-V族材料は、周期律表のどの位置にあるかということから名付けられたもので、幅広いエネルギーバンドギャップを持ち、太陽スペクトルの異なる部分をターゲットにすることができます。上部の接合はガリウムインジウムリン(GaInP)、中央は量子井戸を持つガリウムヒ素(GaAs)、下部は格子不整合のガリウムインジウムヒ素(GaInAs)でできています。それぞれの材料は、数十年にわたる研究の結果、高度に最適化されている。

<関連情報>

厚い量子井戸超格子により地上効率39.5%、空間効率34.2%を実現した三接合太陽電池 Triple-junction solar cells with 39.5% terrestrial and 34.2% space efficiency enabled by thick quantum well superlattices

Ryan M.France,John F.Geisz,TaoSong,WaldoOlavarria,MichelleYoung,AlanKibbler,Myles A.Steiner
Joule  Published: May 18, 2022
DOI:https://doi.org/10.1016/j.joule.2022.04.024

Summary

Multijunction solar cell design is guided by both the theoretical optimal bandgap combination as well as the realistic limitations to materials with these bandgaps. For instance, triple-junction III-V multijunction solar cells commonly use GaAs as a middle cell because of its near-perfect material quality, despite its bandgap being higher than optimal for the global spectrum. Here, we modify the middle cell bandgap using thick GaInAs/GaAsP strain-balanced quantum well (QW) solar cells with excellent voltage and absorption. These high-performance QWs are incorporated into a triple-junction inverted metamorphic multijunction device consisting of a GaInP top cell, GaInAs/GaAsP QW middle cell, and lattice-mismatched GaInAs bottom cell, each of which has been highly optimized. We demonstrate triple-junction efficiencies of 39.5% and 34.2% under the AM1.5 global and AM0 space spectra, respectively, and the global efficiency is higher than previous record six-junction devices.

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