КПД солнечных панелей может быть намного больше 100%

Исследователи из Университета Аалто, Финляндия, разработали кремниевый фотопреобразователь света в электричество, эффективность которого составила 132%. КПД был настолько высок, что сначала исследователям самим было трудно поверить в результат. Теперь же дочерняя компания Университета Аалто ElFys Inc. уже поставляет детекторы света для нескольких секторов промышленности

«Когда мы увидели результаты, мы не поверили своим глазам. Мы сразу захотели проверить результаты с помощью независимых измерений», – рассказал профессор Хеле Савин (Hele Savin), руководитель исследовательской группы электронной физики в Университете Аалто.

Однако данные финских ученых были подтверждены независимыми измерениями, выполненными в Немецком национальном метрологическом институте Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), Германия, который, как признано, предоставляет самые точные и надежные услуги по измерениям в Европе.
Фактически речь идет о фотоэлектрическом приборе, эффективность которого превышает 130% (с учетом света в УФ-диапазоне). Этот результат открывает новые возможности для повышения эффективности солнечных панелей сверх известного предела Шокли-Кайссера – максимальной теоретически возможной эффективности PV-элементов, работающих на одном «p-n» переходе. Впервые граница была рассчитана Шокли и Квайссером в 1961 году. Для типичных солнечных элементов в обычных условиях это ограничение составляет около 30%.

Причин ограничения КПД фотопреобразования несколько. Если говорить упрощенно, то при 100% квантовой эффективности каждый фотон, попадающий на поверхность фотоэлемента, должен выбить из его материала один электрон, а тот, нигде не затерявшись, должен точно попасть на проводник коллектора.

Изображение размножение электронов в наноструктурах УФ-свет вызывает размножение электронов в наноструктурах. Рисунок: Wisa Förbom

Помимо того, что не все электроны можно собрать на коллекторе, не все фотоны выбивают электрон, а отражаются или поглощаются материалом, существует еще и эффект рекомбинации – то есть, на место («дырку») от выбитого ранее электрона становится следующий электрон, который был выбит другим фотоном, попавшим на материал фотоэлектрического преобразователя. Эффективность 130% означает, что один входящий фотон генерирует несколько электронов, из них в данном случае примерно 1,3 электрона «добираются» до коллектора. Законы физики на самом деле не нарушаются.

Секрет прорыва: уникальные конусные наноструктуры из модифицированного т. н. «черного» кремния. Исследователи выяснили, что причиной исключительно высокой внешней квантовой эффективности является процесс размножения носителей заряда внутри конусных кремниевых наноструктур, который запускается фотонами высокой энергии (в обычном спектре солнечного света в наземных условиях это УФ-составляющая). Фотоны выбивают сразу несколько электронов, а итоговое количество, собранных на коллекторе, превышает все «естественные» потери. Эффект подобен тому, как одним бильярдным шаром разбивается целая «пирамида». Явление размножения не наблюдалось ранее в реальных устройствах, поскольку наличие электрических и оптических потерь уменьшало количество собранных электронов. Здесь же количество размноженных электронов настолько высоко, что превышает потери, описанные Шокли и Квайссером.
«Мы можем собрать все размноженные носители заряда без необходимого ранее отдельного внешнего силового смещения, поскольку в нашем наноструктурированном устройстве нет обычных потерь на рекомбинацию и отражение», – объясняет профессор Х. Савин.

Помимо очевидной возможности улучшить показатели эффективности солнечных панелей, на практике высокая эффективность фотопреобразования означает, что производительность любого устройства, использующего обнаружение света, может быть значительно улучшена. Обнаружение света и преобразование его в электрический сигнал широко используется в нашей повседневной жизни, например, в автомобилях, мобильных телефонах, умных часах и медицинских устройствах, системах безопасности и т. д. Промышленное применение подразумевает, например, детекторы для биотехнологии и мониторинга промышленных процессов. Дочерняя компания Elfys Inc. при Университете Аалто уже производит сверхэффективные пластинки фотодетекторов для коммерческого использования.

Источник: Aalto University

Читайте статьи и новости в Telegram-канале AW-Therm. Подписывайтесь на YouTube-канал.

Просмотрено: 1 580 / 2020-09-17 13:59:32

Вас может заинтересовать:



1 комментарий

  • Посмотрим дойдет ли до массового производства

5
5
5
Оставьте комментарий

Telegram