Появилась надежда на повышение КПД классических солнечных панелей из кремния

Автор: Геннадий Детинич

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?

Два электрона из одного фотона (MIT)

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.

Данная новость была опубликована сайтом 3DNews.