Возбужденное состояние: новая эра высокоэффективных солнечных элементов

Ранние демонстрации

Принцип известен давно, демонстрировался ранее. Однако годы потребовались для практической реализации. Ранние работы показали выброс двух электронов из одного фотона в органических фотоэлектрических элементах. Но кремниевые солнечные батареи эффективнее органических. При тестах с верхним слоем тетрацена передача двух электронов не была прямой. Технология концептуализирована 4 десятилетия назад, но практическая реализация становится реальностью сейчас.

Процесс возбуждения

Технология использует экcitoны — квантовые состояния возбуждения, позволяющие разделить энергию одного фотона на два электрона. Экcitoны — пакеты энергии, распространяющиеся в кристалле, но со свойствами, отличными от электронов. Процесс: одинночный экcитонный фиSSION — энергия света расщепляется на два независимых движущихся пакета энергии. Кремниевый элемент поглощает фотон, формирует экcитон, который проходит фиSSION, давая два возбужденных состояния с половинной энергией исходного.

Решение вызовов

Связывание энергии от фотона с кремнием было сложно (кремний — неэкcитонный материал). Команда попыталась связать экcитонный слой с квантовыми точками — крошечными полупроводниковыми частицами. Прорыв: они были и неорганическими, и экcитонными. Это привело к более эффективному кремниевому солнечному элементу.

Роль поверхностной химии

Перенос энергии возможен не за счет объема, а за счет поверхности материала. Фокус на поверхностной химии кремния позволил определить поверхностные состояния. Решение — тонкий промежуточный слой на границе тетрацен/кремний. Материал — оксинитрид гафния (HfON), толщиной в несколько атомов, служащий мостом для экcитонов. Новая технология подняла максимальную теоретическую эффективность с 29,1% до 35%.

Перспективы

Несмотря на эффективное связывание материалов, требуется дальнейшая оптимизация кремниевых элементов: более тонкие слои, стабилизация материалов для долговечности. Коммерческая готовность через несколько лет. Другие пути — добавление перовскитного слоя на кремний.