Ученые обнаружили новый способ резко увеличить выход кремниевых солнечных элементов.
Традиционные кремниевые солнечные элементы имеют абсолютный предел общей эффективности - в принципе, один фотон света должен быть способен ослабить только один электрон, даже если этот фотон несет в себе вдвое больше энергии, необходимой для этого. Однако теперь исследователи представили новый способ получения высокоэнергетических фотонов, поражающих кремний, чтобы выбить два электрона вместо одного. Эти результаты, опубликованные в журнале Nature, открыли путь для новой, значительно более эффективной формы солнечной энергии.
Расщепление энергии фотона
Обычные кремниевые силовые элементы имеют абсолютную теоретическую максимальную эффективность преобразования солнечной энергии около 29,1 процента.
Новый подход, разработанный в течение нескольких лет исследователями из Массачусетского технологического института и других организаций, может реально преодолеть этот предел. Ключ к получению двух электронов из одного фотона исходит из класса материалов, которые обладают «возбужденными состояниями», которые метко называются экситонами, сказал в своем пресс-релизе профессор электротехники и компьютерных наук Марк Балдо. В экситонах «эти пакеты энергии распространяются вокруг, как электроны в цепи. Вы можете использовать их для изменения энергии - вы можете разрезать их пополам, вы можете объединить их». Исследователи осуществили процесс, называемый делением синглетных экситонов, который позволяет разделить фотоны в солнечном свете на два отдельных, независимо движущихся пакета энергии.
Во-первых, материал поглощает фотон, образуя экситон, который быстро подвергается делению на два возбужденных состояния, каждое из которых имеет половину энергии исходного состояния. Однако настоящим достижением стало то, что ученые смогли соединить эту энергию с кремнием, материалом, который не является экситонным. Этому способствовал тонкий промежуточный слой оксинитрида гафния, толщиной всего в несколько атомов, на поверхности кремния.
Балдо говорит, что слой оксинитрида гафния действовал как «хороший мост» для возбужденных состояний, позволяя отдельным фотонам высокой энергии высвобождать два электрона в кремниевой ячейке.
Оптимизация кремниевых элементов
Это, теоретически, дает гораздо большую отдачу от энергии, получаемой от солнечного света. Это будет означать увеличение мощности, производимой солнечным элементом, с теоретического максимума в 29,1 процента до нового максимума в 35 процентов. Однако исследователям остается сделать один шаг: «Нам все еще нужно оптимизировать кремниевые элементы для этого процесса», - говорит Балдо.
Необходимо проделать работу по стабилизации батарей для обеспечения их долговечности и оптимизации их для нового метода, поэтому до коммерческого применения, вероятно, еще несколько лет. Несмотря на это, их работа показывает большие перспективы в улучшении производства солнечной энергии в будущем. Результаты были опубликованы вчера в журнале Nature в статье аспиранта Маркуса Эйнзингера, профессора химии Мунги Бавенди, профессора электротехники и компьютерных наук Марка Балдо и восьми других из Массачусетского технологического института и в Принстонского университета.
