Появилась надежда на повышение КПД классических солнечных панелей из кремния

0

Не секрет, что популярные солнечные панели из кремния имеют ограничение по эффективности преобразования света в электричество. Это связано с тем, что каждый фотон выбивает только один электрон, хотя энергии частицы света может быть достаточно, чтобы выбить два электрона. В свежем исследовании учёные из Массачусетского технологического института показали, что это фундаментальное ограничение может быть обойдено, что открывает путь к солнечным элементам из кремния с существенно более высоким значением КПД.

Возможность фотона выбивать два электрона теоретически была обоснована около 50 лет назад. Но первые удачные эксперименты удалось воспроизвести только 6 лет назад. Тогда в качестве опыта использовалась солнечная ячейка из органических материалов. Было бы заманчиво перейти к более эффективному и распространенному кремнию, с чем учёным удалось справиться только сейчас в ходе выполнения колоссального объёма работ.

В ходе последнего эксперимента удалось создать кремниевую солнечную ячейку, теоретический предел КПД которой был повышен с 29,1 % до 35 %, и это не предел. К сожалению, для этого солнечную ячейку пришлось сделать составной из трёх разных материалов, так что одним монолитным кремнием в данном случае обойтись нельзя. В собранном виде солнечный элемент представляет собой бутерброд из органического материала тетрацена в виде поверхностной плёнки, тончайшей (в несколько атомов) плёнки из оксинитрида гафния и, собственно, кремниевой пластины.

Слой тетрацена абсорбирует высокоэнергетический фотон и преобразует его энергию в два блуждающих возбуждения в слое. Это так называемые квазичастицы экситоны. Процесс разделения известен как синглетное деление экситона. В грубом приближении экситоны ведут себя как электроны, и эти возбуждения можно использовать для генерации электрического тока. Вопрос, как эти возбуждения передать в кремний и дальше?

Появилась надежда на повышение КПД классических солнечных панелей из кремния

Своеобразным мостиком между поверхностной тетраценовой плёнкой и кремнием стал тончайший слой из оксинитрида гафния. Процессы в этом слое и поверхностные эффекты на кремнии преобразуют экситоны в электроны, а дальше всё идёт по накатанной. В эксперименте удалось показать, что таким образом повышается эффективность солнечной ячейки в синем и зелёном спектрах. По мнению учёных, это не предел повышения эффективности солнечной ячейки из кремния. Но даже для представленной технологии уйдут годы для её коммерческого воплощения.