Новый тип солнечных элементов с увеличенным предельным КПД

Толщина слоя составляет всего несколько атомов, или всего 8 ангстрем (десять миллиардных долей метра), и он действует как «мост» для возбужденных состояний. Это позволяет одиночным фотонам с высокой энергией вызывать высвобождение двух электронов внутри кремниевой ячейки

В любом обычном солнечном элементе на основе кремния существует абсолютный предел общей эффективности, частично основанный на том факте, что каждый фотон света может выбить только один электрон, даже если этот фотон нес в два раза больше необходимой для этого энергии.

Однако исследователи нашли способ использования высокоэнергетических фотонов, атакующих кремний, с помощью которых можно получить два электрона вместо одного. Это открывает дверь для создания солнечных элементов нового типа, имеющих большую эффективность, чем считалось возможным получить ранее.

В то время как обычные кремниевые солнечные элементы имеют абсолютный теоретический максимальный КПД преобразования солнечной энергии, равный примерно 29,1 процента, новый метод, разработка которого проводилась в течение последних нескольких лет, поможет выйти за этот предел, добавив несколько процентных пунктов к теоретическому максимуму.

Ключом к разделению энергии одного фотона, воздействующей на два электрона, является класс материалов, обладающий «возбужденными состояниями», называемыми экситонами. «Их можно использовать для изменения энергии: делить ее пополам или объединять».

Исследователи наблюдали процесс, называемый делением синглетных экситонов, в результате которого энергия света разделялась на два отдельных, независимо движущихся друг от друга пучка энергии. Материал сначала поглощал фотон, образуя экситон, который быстро принимал два возбужденных состояния, каждое из которых обладало половиной исходной энергии.

Но далее предстояла сложная задача связать эту энергию с кремнием, материалом, который не является экситонным. Эту связь никогда ранее получить не удавалось.

В качестве промежуточного шага исследователи попытались связать энергию из экситонного слоя с материалом, называемым квантовыми точками. «Это все еще экситоны, но неорганические». «Это сработало». Поняв механизм передачи энергии, стало понятно, «что кремний будет работать».

Ключ находился в тонком промежуточном слое. «Оказывается, эта крошечная полоска материала на границе раздела между двумя системами (кремниевый солнечный элемент и тетраценовый слой с его экситонными свойствами) в конечном итоге стала определяющей. Вот почему другие исследователи не смогли добиться работоспособности процесса».

Толщина слоя составляет всего несколько атомов, или всего 8 ангстрем (десять миллиардных долей метра), и он действует как «мост» для возбужденных состояний. Это позволяет одиночным фотонам с высокой энергией вызывать высвобождение двух электронов внутри кремниевой ячейки.

Это приводит к удвоению количества энергии, производимой солнечным светом в сине-зеленой части спектра. В целом, это может привести к увеличению мощности, производимой солнечным элементом, - от теоретического максимума в 29,1 процента до 35 процентов.

С этой технологией кремниевые ячейки могут быть тоньше, чем сейчас. Однако необходимо проделать работу по приданию материалам прочности. Ожидается, что до коммерциализации технологии потребуется несколько лет.

Другие подходы по повышению эффективности солнечных элементов, как правило, включают добавление другого их типа, таких как слой перовскита, поверх кремния. «Это попытки разместить одну ячейку поверх другой. Однако исследователи предлагают другой путь: как бы подзаряжать кремниевую батарею, добавляя в него больше тока, а не делая две ячейки вместо одной».

Исследователи увидели еще одно особое свойство экситонного материала - оксинитрида гафния, которое помогает ему передавать экситонную энергию. «Известно, что оксинитрид гафния генерирует дополнительный заряд на границе раздела, что снижает энергопотери в процессе, называемом пассивацией электрического поля. Если удастся лучше контролировать это явление, эффективность солнечной ячейки может возрасти еще выше».

Связанная статья журнала Nature: https://doi.org/10.1038/s41586-019-1339-4

Источник: SciTechDaily