195176, г. Санкт-Петербург,
Пискаревский пр. д.25,
литер А пом. 8Н.
info@armkllc.ru
   +7 (812) 748-51-31

Новая веха в приручении солнца. Часть 2.

Дата публикации: 2019-07-15 10:16:00

источник

Метод сбора двух электронов с каждого фотона преодолел теоретический предел эффективности солнечного элемента.

В предыдущей статье мы затронули тему солнечных батарей. Помните, там упоминался некий дорогой «тёмный» материал на основе кремния, который, собственно, и преобразует свет в электричество? Так вот, другая команда учёных из MIT в соавторстве с коллегами из Принстонского университета научилась «выбивать» одним фотоном сразу два электрона из этого вещества. Таким образом, КПД вырос с теоретически возможных в идеальных условиях 29% до практически реализуемых 35!

Но ­– обо всём по порядку, поскольку это ещё не всё интересное.

Абсолютный предел общей эффективности (те самые 29%) любых обычных солнечных элементов на основе кремния, частично основан на том факте, что каждый фотон света, даже имея в два раза больше необходимой энергии, может выбить только один электрон. Но теперь найден способ получения высокоэнергетических фотонов, действующих с большей эффективностью, чем считалось возможным.

Базовая концепция этой новой технологии (про два электрона на фотон) была известна на протяжении десятилетий: она была впервые предложена еще в 1970-х годах. По словам Троя Ван Вурхиса, профессора химии в Массачусетском технологическом институте, который был частью команды, впервые продемонстрировавшей работоспособность этого принципа ещё в 2013 году, «превращение идеи в практическое устройство заняло всего 40 лет».

«Эта первоначальная демонстрация была хорошей тестовой платформой, чтобы показать, что идея может работать», – объясняет доктор философии Дэниел Конгрив, который был ведущим автором доклада в 2013 году и также является соавтором нового. Тогда было продемонстрировано производство двух электронов из одного фотона, что показало справедливость предположений сорокалетней давности. Но дело в том, что эти результаты были достигнуты в фотоэлектрическом элементе органической природы, что гораздо менее эффективно, чем кремниевые структуры. Оказалось, что главная трудность – перенос двух электронов из верхнего собирающего слоя, изготовленного из тетрацена, в кремниевую ячейку. Так что новые результаты можно считать итогом того проекта. Да, между этими этапами стоят годы напряженной работы, но перевод метода в полноценный, работающий кремниевый солнечный элемент того стоил, говорит профессор электротехники и компьютерных наук Марк Бальдо.

Он также пояснил, что ключом к разделению энергии одного фотона на два электрона является класс материалов, обладающих «возбужденными состояниями», называемыми экситонами. В этих соединениях пучки энергии распространяются вокруг, как электроны в цепи, но с совершенно другими свойствами, чем у самих электронов. «Вы можете использовать их для изменения энергии, – восхищается Бальдовы можете разрезать их пополам, вы можете объединить их». Новинка сначала поглощает фотон, образуя экситон, который быстро подвергается делению на два возбужденных состояния, каждое с половиной энергии исходного состояния фотона. Так энергия света разделяется на два отдельных, независимо друг от друга движущихся заряда. 

В новом же исследовании впервые была достигнута связь, которая связывала эту энергию с кремнием, материалом, не являющимся экситонным

Ван Вурхис говорит, что ключ к этой передаче энергий лежит в самой поверхности элемента, а не в его объеме: «…было ясно, что химия поверхности на кремнии будет важна». Возможно, именно этот фокус с тонким промежуточным слоем позволил команде добиться такого успеха, считает он: «Оказывается, эта крошечная, крошечная полоска материала на границе раздела между двумя системами (кремниевый солнечный элемент и тетраценовый слой с его экситонными свойствами) в конечном итоге стала определять всё. Вот почему другие исследователи не смогли заставить этот процесс работать, и поэтому мы наконец-то это сделали».

А «наконец-то сломал этот орех», как выразился Вурхис, аспирант Маркус Эйнзингер. Для решения он применил слой оксинитрида гафния, толщиной 8 ангстрем. Это всего несколько атомов, или десять миллиардных долей метра. Такой мост позволяет одиночным фотонам с высокой энергией высвобождать по два электрона внутри кремниевой ячейки, что приводит к удвоению количества энергии, производимой данным количеством солнечного света в сине-зеленой части спектра. 

К тому же, исследователи измерили одно особое свойство оксинитрида гафния, которое помогает ему передавать экситонную энергию. «Мы знаем, что оксинитрид гафния генерирует дополнительный заряд на границе раздела, что снижает потери в результате процесса, называемого пассивацией электрического поля. Если мы сможем установить лучший контроль над этим явлением, эффективность может возрасти ещё больше», – говорит Эйнзингер. На сегодняшний день ни один из протестированных командой материалов не может сравниться с его свойствами.

Нам же теперь интересно как себя поведут панели, включающие новинки обеих команд: кремний с оксинитридом гафния + аэрогель из прошлой статьи. И, кстати, это вообще возможно? Ведь это конструктивно разные подходы, о чём и говорят сами исследователи: другие методы включают добавление иного или нового типа элементов поверх кремния. По словам Бальдо, «они строят одну камеру поверх другой. Мы же, по сути, делаем одну батарею – мы как бы подзаряжаем кремниевую батарею. Мы добавляем больше тока в кремний, в отличие от создания двух ячеек».  

И пусть пока что люди ещё не достигли максимально возможного КПД кремниевых элементов, в том числе и «новой комплектации», и есть куда двигаться, но решающий этап доказанной эффективности описанного соединения уже пройден. А это не может не вдохновлять самих героев от науки. «Нам все ещё нужно оптимизировать кремниевые элементы для этого процесса», – говорит Бальдо. Возможно, эти ячейки будут ещё тоньше, чем нынешние версии. Также необходимо уделить внимание стабилизации прочности материалов. Работы ещё много, так что, по словам команды, до уровня коммерческого производства, вероятно, понадобятся ещё несколько лет кропотливого труда. Но, опять же, оно того стоит.

Исследование было поддержано в рамках Центра экситоники MIT, финансируемого Министерством энергетики США.


 

По материалам MIT News