Главные Новости
Владимир Зеленский Техно Кино Автоновости
Эксперименты показывают резкое увеличение выхода солнечных элементов
Автор: Allnewsua.live

В любом обычном солнечном элементе на основе кремния существует абсолютный предел общей эффективности, частично основанный на том факте, что каждый фотон света может выбить только один электрон, даже если этот фотон нес в два раза больше энергии, необходимой для этого. Но теперь исследователи продемонстрировали способ получения высокоэнергетических фотонов, поражающих кремний, чтобы выбить два электрона вместо одного, открывая дверь для нового типа солнечных элементов с большей эффективностью, чем считалось возможным.

В то время как обычные кремниевые элементы имеют абсолютный теоретический максимальный КПД преобразования солнечной энергии около 29,1 процента, новый подход, разработанный в течение последних нескольких лет исследователями из Массачусетского технологического института и в других местах, может прорваться через этот предел, потенциально добавив несколько процентных пунктов к этому максимуму. выход. Результаты были описаны в журнале Nature, в статье аспиранта Маркуса Эйнзингера, профессора химии Мунги Бавенди, профессора электротехники и компьютерных наук Марка Бальдо и восьми других в Массачусетском технологическом институте и в Принстонском университете.

Базовая концепция этой новой технологии была известна на протяжении десятилетий, и первая демонстрация того, что принцип мог работать, была проведена некоторыми членами этой команды шесть лет назад. Но на самом деле перевод метода в полноценный, работающий кремниевый солнечный элемент занял годы напряженной работы, говорит Бальдо.

Эта первоначальная демонстрация «была хорошей тестовой платформой», чтобы показать, что идея может работать, объясняет доктор философии Дэниел Конгрив '15, выпускник Института Роуленда в Гарварде, который был ведущим автором в этом предыдущем докладе и соавтором новой бумаги. Теперь с новыми результатами «мы сделали то, что намеревались делать» в этом проекте, говорит он.

Первоначальное исследование продемонстрировало производство двух электронов из одного фотона, но это произошло в органическом фотоэлектрическом элементе, который менее эффективен, чем кремниевый солнечный элемент. Оказалось, что перенос двух электронов из верхнего собирающего слоя, изготовленного из тетрацена, в кремниевую ячейку «не был простым», говорит Бальдо. Трой Ван Вурхис, профессор химии в Массачусетском технологическом институте, который был частью этой оригинальной команды, отмечает, что эта концепция была впервые предложена еще в 1970-х годах, и криво говорит, что превращение этой идеи в практическое устройство «заняло всего 40 лет».



Бальдо говорит, что ключом к разделению энергии одного фотона на два электрона является класс материалов, обладающих «возбужденными состояниями», называемыми экситонами: «В этих экситонных материалах« эти пакеты энергии распространяются вокруг, как электроны в цепи ». но с совершенно другими свойствами, чем электроны. «Вы можете использовать их для изменения энергии - вы можете разрезать их пополам, вы можете объединить их». В этом случае они проходили процесс, называемый делением синглетных экситонов, в результате чего энергия света разделяется на два отдельных, независимо друг от друга движущиеся пакеты энергии. Материал сначала поглощает фотон, образуя экситон, который быстро подвергается делению на два возбужденных состояния, каждое с половиной энергии исходного состояния.

Но сложная часть затем связывала эту энергию с кремнием, материалом, который не является экситонным. Эта связь никогда не была достигнута раньше.

В качестве промежуточного шага команда попыталась связать энергию из экситонного слоя в материал, называемый квантовыми точками. «Они все еще возбуждены, но они неорганические», - говорит Бальдо. «Это сработало; это сработало как шарм », - говорит он. Понимая механизм, происходящий в этом материале, он говорит: «У нас не было оснований думать, что кремний не будет работать».

Ван Вурхис говорит, что эта работа показала, что ключ к этой передаче энергии лежит в самой поверхности материала, а не в его объеме. «Таким образом, было ясно, что химия поверхности на кремнии будет важна. Это было то, что должно было определить, какие виды поверхностных состояний были ». Возможно, именно этот фокус на химии поверхности позволил этой команде добиться успеха там, где другие не смогли, считает он.

Ключ был в тонком промежуточном слое. «Оказывается, эта крошечная, крошечная полоска материала на границе раздела между этими двумя системами (кремниевый солнечный элемент и тетраценовый слой с его экситонными свойствами) в конечном итоге стала определять все. Вот почему другие исследователи не смогли заставить этот процесс работать, и почему мы наконец-то это сделали ». Именно Эйнзингер« наконец-то сломал этот орех », говорит он, используя слой материала, называемый оксинитрид гафния.



Толщина слоя составляет всего несколько атомов, или всего 8 ангстрем (десять миллиардных долей метра), но он действует как «красивый мост» для возбужденных состояний, говорит Бальдо. Это, наконец, позволило одиночным фотонам с высокой энергией вызвать высвобождение двух электронов внутри кремниевой ячейки. Это приводит к удвоению количества энергии, производимой данным количеством солнечного света в сине-зеленой части спектра. В целом, это может привести к увеличению мощности, производимой солнечным элементом, - от теоретического максимума в 29,1 процента до максимума в 35 процентов.

Фактические кремниевые элементы еще не достигли своего максимума, как и новый материал, поэтому необходимо больше разрабатывать, но решающий этап эффективного соединения этих двух материалов уже доказан. «Нам все еще нужно оптимизировать кремниевые элементы для этого процесса», - говорит Бальдо. С одной стороны, с новой системой эти ячейки могут быть тоньше, чем текущие версии. Также необходимо проделать работу по стабилизации материалов на прочность. В целом, по словам команды, на коммерческие приложения, вероятно, еще несколько лет.

Другие подходы к повышению эффективности солнечных элементов, как правило, включают добавление другого типа элементов, таких как слой перовскита, поверх кремния. Бальдо говорит: «Они строят одну камеру поверх другой. По сути, мы делаем одну батарею - мы как бы подзаряжаем кремниевую батарею. Мы добавляем больше тока в кремний, а не делаем две ячейки ».

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 еще выше », - говорит Эйнзингер. Пока что ни один из протестированных ими материалов не может сравниться с его свойствами.

Источник: MIT, написанный Дэвидом Л. Чендлером

Перекладено з Technology Org.


Читать также: