Возбужденное состояние! - Прорыв в технологии солнечных батарей

Солнечные батареи в прошлом имели предел своей эффективности. В обычном солнечном элементе на основе кремния каждый световой фотон, попадающий на поверхность элемента, высвобождает один электрон. Фотоны с большей энергией не будут иметь значения, поскольку они не смогут привлечь дополнительные электроны. Исследователи разработали новый метод получения фотонов света высокой энергии для высвобождения двух электронов вместо одного, что открывает возможности для создания нового типа солнечных элементов с большей эффективностью.

Максимально возможный теоретический КПД, достигаемый обычными солнечными батареями, составляет 29,1%. За последние несколько лет исследователи из Массачусетского технологического института и других организаций разработали новый метод повышения эффективности клеток.

Ранние демонстрации

Принцип этой технологии известен и ее демонстрация уже проведена. Однако потребовались годы, чтобы эта технология заработала. Более ранние исследования продемонстрировали высвобождение двух электронов из одного светового фотона для органических фотоэлектрических элементов. Однако кремниевые солнечные батареи более эффективны, чем органические солнечные батареи. Когда проводились испытания солнечного элемента с верхним слоем, состоящим из тетрацена, перенос двух электронов не был простым. Хотя эта технология была задумана 4 десятилетия назад, ее практичность сейчас становится реальностью.

Процесс возбуждения

Технология предполагает использование экситонов, представляющих собой группу материалов, содержащих возбужденные состояния. Они позволяют разделить энергию одного фотона на два электрона. Экситоны представляют собой пакеты энергии, подобные электронам, которые распространяются по цепи. Однако они обладают другими свойствами по сравнению с электронами. В этом процессе осуществляется деление синглетного экситона, при котором световая энергия разделяется на два независимых мобильных пакета энергии. Кремниевый солнечный элемент поглощает фотон и образует экситон, который подвергается реакции деления с образованием двух возбужденных состояний, где каждый пакет энергии обладает половиной энергии исходного состояния.

Решение проблем

Связать энергию, полученную от фотона, с кремнием было сложно, поскольку это неэкситонный материал. Исследовательская группа попыталась связать энергию экситонного слоя с крошечными полупроводниковыми частицами, известными как квантовые точки. Именно тогда произошел прорыв в технологии солнечных элементов, где они были как неорганическими, так и экситонными. Это привело к разработке более эффективного кремниевого солнечного элемента.

Роль химии поверхности

Передача энергии возможна не за счет объема материала, а за счет поверхности материала. Исследовательская группа смогла получить желаемые результаты благодаря тому, что сосредоточилась на химии поверхности кремния. Это помогло в определении поверхностных состояний, которые там присутствовали. Решение заключается в тонком промежуточном слое, который находится на границе между слоем тетрацена и слоем кремниевой ячейки. В качестве промежуточного материала используется оксинитрид гафния, который имеет толщину в несколько атомов и действует как мостик для экситонов. Эта новая технология повысила максимальную теоретическую эффективность с 29,1% до 35%.

Область

Хотя было достигнуто эффективное соединение двух материалов, для этого процесса требуется дальнейшая оптимизация кремниевых элементов. Необходимо сделать ячейки тоньше, чем в существующих версиях. Также необходимо поработать над стабилизацией материалов для обеспечения долговечности. Пройдет несколько лет, прежде чем продукт станет коммерчески доступным. Другие методы повышения эффективности включают добавление других типов ячеек, таких как слой перовскита поверх кремния.