Национальный исследовательский совет Италии представил 4T спектрально-разделяющую двустороннюю солнечную черепицу

Репортаж от Wedoany，Исследовательская группа Национального исследовательского совета Италии (CNR) продемонстрировала четырехтерминальную (4T) солнечную черепицу, конструкция которой основана на спектральном разделении солнечного спектра по диапазонам: видимый свет направляется в арсенид-галлиевый (GaAs) элемент, а инфракрасное излучение поступает в двусторонний кремниевый элемент, при этом каждый тип элемента выполняет свою функцию.

Оптическим ядром этой системы является клиновидная прямоугольная стеклянная призма. Первый автор статьи Флориана Морабито рассказала журналу pv magazine, что оптическое ядро сочетает полное внутреннее отражение (TIR) на верхней поверхности с дихроичным отражением на зеркале, выполняя функцию световода. Автор-корреспондент Сильвия Мария Пьетралунга добавила, что двусторонний узкозонный (NBG) кремниевый элемент в схеме ориентирован тыльной стороной на юг, что способствует сбору альбедного излучения от земли; широкозонный (WBG) арсенид-галлиевый элемент расположен под углом 90 градусов, что позволяет снизить как занимаемую площадь, так и самозатенение модуля до низкого уровня.

Результаты опубликованы в журнале «Solar Energy» под названием «Экспериментальная валидация и численная оценка 4T спектрально-разделяющей солнечной черепицы с нетрадиционной двусторонней способностью и минимизированным затенением». Прототип был собран на основе прямоугольной клиновидной призмы из стекла N-BK7 производства Schott и включал арсенид-галлиевый элемент размером 2,0 см × 2,0 см с КПД 20%, а также двусторонний кремниевый гетеропереходный (HJT) элемент размером 6,8 см × 2,0 см с КПД около 24% и коэффициентом двусторонности 90%; на нижнюю и заднюю поверхности призмы были нанесены просветляющие покрытия.

Спектральное разделение осуществляется взаимодополняющими длинноволновыми и коротковолновыми дихроичными зеркалами. Оба зеркала установлены под углом падения 45 градусов, длина волны отсечки составляет 805 нм, что приходится на область пересечения кривых внешней квантовой эффективности кремниевого и арсенид-галлиевого элементов, что позволяет направлять соответствующие участки спектра на целевые элементы.

Исследователи изготовили двухкомпонентный держатель методом 3D-печати из смолы, объединив призму, зеркала, кремниевый элемент и герметизированный арсенид-галлиевый элемент. Поскольку воздушные зазоры между призмой, зеркалами и элементами неизбежны, фактически собранный прототип отличается от идеальной оптической конструкции, что проявляется в дополнительных оптических потерях.

Испытания на открытом воздухе проводились в лаборатории CNR-IMM в Катании, Италия, на террасе с керамическим покрытием. Измерения в основном соответствовали принципам стандарта IEC 60904-2, однако команда отметила, что 4T-структура отличается от традиционных модулей и не может полностью соответствовать стандарту. Эксперименты проводились в четыре солнечных дня с конца мая по середину июля 2025 года, окно наблюдения составляло с 9:00 до 17:00. Три пиранометра с интервалом 5 секунд регистрировали горизонтальную суммарную облученность, наклонную фронтальную облученность и отраженную облученность, достигающую тыльной стороны; два спектрорадиометра измеряли горизонтальную суммарную спектральную облученность и прямую нормальную спектральную облученность в диапазоне длин волн от 300 нм до 1100 нм.

Исследователи также сравнили экспериментальные данные прототипа с результатами моделирования в идеальных условиях. Идеальное устройство сохраняло более 90% оптического коэффициента мощности в широком диапазоне углов падения, тогда как изготовленный прототип достигал максимума лишь около 62%. При измерениях на открытом воздухе нормированный ток кремниевого элемента оставался достаточно стабильным в течение дня, с пиком около солнечного полудня, и незначительно увеличивался при более низком расположении черепицы над землей; арсенид-галлиевый элемент не чувствителен к высоте над землей, но из-за меньшей угловой толерантности его выходная мощность колебалась сильнее в течение дня, с пиком также около полудня.

Морабито отметила, что в условиях открытого воздуха для двустороннего кремниевого элемента с КПД 23% на широте 37°30′ с.ш. в утренние и вечерние часы в период летнего солнцестояния измеренный фототок заметно увеличивался примерно на 7%. Максимальный фототок не зависел от высоты над землей, а оптимальный выигрыш от двусторонней работы соответствовал высоте 19 см над землей. Результаты испытаний указывают на вывод: 4T-архитектура способна уменьшить самозатенение и при этом более полно использовать отраженное от земли излучение, причем двусторонняя работа дает больше преимуществ при относительно низкой высоте установки.

Пьетралунга отметила, что с глобальной точки зрения эта 4T-схема может быть экономически устойчивой — более высокая выходная мощность на единицу площади при использовании механических опор низкого воздействия. Она считает, что перспективы решения текущих задач обнадеживающие, существует значительный потенциал для дальнейшего совершенствования, и в ближайшем будущем возможно открытие жизнеспособных рыночных возможностей.