Британська компанія Cambridge Photon Technology вважає, що знайшла спосіб значно збільшити ККД кремнієвого сонячного елемента до 35%, подолавши фізичне обмеження – фундаментальну межу Шоклі-Квіссера
Найбільш масовим фотоелектричним матеріалом є кремній, який може поглинати більшу частину сонячного світла та перетворювати його в електрику. Але найкраще цей матеріал працює з фотонами у червоній та ближній інфрачервоній частині спектру. Фотони з більшою довжиною хвилі та меншою енергією – далекий інфрачервоний діапазон, мікрохвилі та радіохвилі – не дають достатньо енергії для протікання струму. Зелені та сині фотони зі значно коротшою довжиною хвилі містять більше енергії, ніж може конвертувати кремній, а надлишкова енергія втрачається у вигляді тепла.
Група Cambridge Photon Technology оголосила, що знайшла спосіб припинити ці втрати шляхом перетворення фотонів з вищою енергією на фотони з нижчою енергією, але які зможе використовувати сонячний елемент.
Максимальна ефективність фотоелектричного перетворення визначається фундаментальною межею Шоклі-Квіссера. Всі фотоелектричні матеріали мають так звану «заборонену зону» певної ширини, яка визначає, скільки енергії може бути передано окремим електронам (для кремнію це 1,1 еВ). Це відповідає фотонам у ближній інфрачервоній частині спектра. Фотони з вищою енергією, ніж ця ширина забороненої зони – тобто весь спектр видимого світла – можуть генерувати електрони, але будь-яка додаткова енергія фотона поза шириною забороненої зони матеріалу вивільняється у вигляді тепла. Через це обмеження звичайний сонячний елемент, що працює в ідеальних умовах, може перетворити на електрику не більше 29% сонячної енергії.
Новий метод, заснований на явищі «розподілу синглетного екситону», було розроблено командою з Кембриджського університету. Коли світло потрапляє на фотоелектричний матеріал, воно створює екситон, у якому негативно заряджений електрон та позитивно заряджена дірка пов'язані електростатичним зарядом. Але якщо матеріал, на яке насамперед падає світло, наприклад, спеціальний органічний полімерний напівпровідник, то фотон може створити не один, а два менш енергійні екситони, тоді вони вже зможуть бути викликати електричний струм. Тобто, створюється більш інтенсивний потік фотонів у тій частині спектру, яку кремній може добре перетворювати на електрику.
Інженери компанії розробили плівковий фотоелектронний помножувач, що складається з шару органічного полімеру під назвою пентацен, «засіяного» квантовими точками селеніду свинцю – невеликими світловипромінюючими частками неорганічного матеріалу. Полімер поглинає сині та зелені фотони та перетворює їх на пари екситонів. Ці екситони перетікають у квантові точки, які поглинають їх та випромінюють фотони червоного чи інфрачервоного випромінювання з меншою енергією. Коли плівку розміщують поверх кремнієвого сонячного елемента, світло від квантових точок падає на кремній. Разом з цим червоні та інфрачервоні хвилі безпосередньо від Сонця вільно проходять через полімерну плівку та потрапляють на кремній (див. рис). У результаті на кремній потрапляє більше придатних для використання фотонів, збільшуючи виробництво електричного струму.
Цей метод «подвійного екситону» теоретично може збільшити потенційну ефективність перетворення сонячних елементів до 35%. Поки що в компанії сподіваються до кінця 2022 року створити прототип, який перетворить близько 31% сонячного світла на електрику.
Метод накладання екситонового фільтру на кремнієву пластину – це найбільш технологічне рішення. Фільтр – простий, нетоксичний матеріал без електричних з'єднань, що дуже мало ускладнює діючу конструкцію. Плівковий електрофотонний помножувач компанії може легко вписатись у наявні виробничі процеси. Готову плівку можна продавати виробникам сонячних панелей для розміщення на діючих фотоелектричних модулях. Простіший підхід може полягати в тому, щоб продавати виробничим компаніям готове рішення – це або шар вінілацетату, що покриватиме кремній, або скло з шаром покриття, що накриває готові сонячні елементи. Є надія, що продукт буде готовий до випуску на ринок приблизно через три роки.
Джерело: nature.com
Більше важливих статей і новин в Telegram-каналі та корисні відео на Youtube-каналі та у TikTok. Долучайтесь!
Переглянуто: 2 089 / 2022-11-03 15:44:13
Цікаве та перспективне рішення для збільшення продуктивності сонячних батарей. Щоправда, треба ще розуміти як буде себе вести той помножувач з часом під дією поглинутої енергії, враховуючи його органічне походження. Думаю, що технологія дасть поштовх до пошуку більш стійких неорганічних плівок, які наноситимуться одразу на ячейки.