В любом традиционном 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 несет в два раза больше необходимой энергии. сделать это. Но теперь исследователи продемонстрировали способ заставить высокоэнергетические фотоны ударяться о кремний, чтобы выбить два электрона вместо одного, открывая дверь для нового типа солнечных элементов с большей эффективностью, чем считалось возможным.
В то время как абсолютная теоретическая максимальная эффективность обычных кремниевых элементов составляет около 29,1 процента преобразования солнечной энергии, новый подход, разработанный за последние несколько лет исследователями из Массачусетского технологического института и других организаций, может превысить этот предел, потенциально добавив несколько процентных пунктов от этого максимального выхода. Результаты описаны сегодня в журнале Nature, в статье аспиранта Маркуса Айнцингера, профессора химии Мунги Бавенди, профессора электротехники и компьютерных наук Марка Бальдо и еще восьми человек из Массачусетского технологического института и Принстонского университета.
Основная концепция этой новой технологии известна уже несколько десятилетий, и первая демонстрация того, что этот принцип может работать, была проведена некоторыми членами этой группы шесть лет назад. Но, по словам Бальдо, на воплощение этого метода в полноценный работающий кремниевый солнечный элемент ушли годы напряженной работы.
Эта первоначальная демонстрация «была хорошей тестовой платформой», чтобы показать, что идея может работать, объясняет Дэниел Конгрив, доктор философии 15 года, выпускник Института Роуленда в Гарварде, который был ведущим автором предыдущего отчета и является соавтором новой статьи. Теперь, с новыми результатами, «мы сделали то, что намеревались сделать» в этом проекте, говорит он.
Первоначальное исследование продемонстрировало производство двух электронов из одного фотона, но это было сделано в органическом фотогальваническом элементе, который менее эффективен, чем кремниевый солнечный элемент. Оказалось, что перенос двух электронов из верхнего собирающего слоя, состоящего из тетрацена, в кремниевую ячейку «был непростым делом», - говорит Бальдо. Трой Ван Воорхис, профессор химии в Массачусетском технологическом институте, который был частью этой первоначальной команды, указывает, что концепция была впервые предложена еще в 1970-х годах, и с иронией говорит, что превращение этой идеи в практическое устройство «потребовалось всего 40 лет».
Ключ к разделению энергии одного фотона на два электрона лежит в классе материалов, которые обладают «возбужденными состояниями», называемыми экситонами, говорит Бальдо: в цепи», но с совершенно другими свойствами, чем электроны.«Вы можете использовать их для изменения энергии - вы можете разрезать их пополам, вы можете их комбинировать». В данном случае они проходили через процесс, называемый делением синглетного экситона, когда энергия света разделяется на два отдельных, независимо движущихся пакета энергии. Материал сначала поглощает фотон, образуя экситон, который быстро делится на два возбужденных состояния, каждое из которых имеет половину энергии исходного состояния.
Но самая сложная часть заключалась в том, чтобы передать эту энергию кремнию, материалу, который не является экситонным. Такого соединения никогда раньше не было.
В качестве промежуточного шага команда попыталась связать энергию экситонного слоя с материалом, называемым квантовыми точками. «Они все еще экситонные, но уже неорганические», - говорит Бальдо. «Это сработало, это сработало как волшебство», - говорит он. Он говорит, что, понимая механизм, происходящий в этом материале, «у нас не было причин думать, что кремний не будет работать."
Эта работа показала, говорит Ван Воорхис, что ключ к этой передаче энергии лежит на самой поверхности материала, а не в его объеме. «Поэтому было ясно, что химия поверхности кремния будет иметь важное значение. Именно она должна была определить, какие виды поверхностных состояний существуют». Он предполагает, что сосредоточенность на химии поверхности, возможно, и позволила этой команде добиться успеха там, где другие не добились успеха.
Ключ находился в тонком промежуточном слое. «Оказывается, эта крошечная полоска материала на границе между этими двумя системами [кремниевый солнечный элемент и слой тетрацена с его экситонными свойствами] в конечном итоге определила все. Вот почему другие исследователи не смогли заставить этот процесс работать, и почему мы наконец это сделали». Именно Эйнцингер «в конце концов расколол этот орех», говорит он, используя слой материала, называемого оксинитридом гафния.
Слой имеет толщину всего в несколько атомов или всего 8 ангстрем (десятимиллиардных долей метра), но он действует как «хороший мост» для возбужденных состояний, говорит Бальдо. Это, наконец, позволило одиночным высокоэнергетическим фотонам вызвать высвобождение двух электронов внутри кремниевой ячейки. Это приводит к удвоению количества энергии, производимой данным количеством солнечного света в синей и зеленой части спектра. В целом, это может привести к увеличению мощности, производимой солнечным элементом - с теоретического максимума в 29,1 процента до максимума примерно в 35 процентов.
Настоящие кремниевые элементы еще не достигли своего максимума, как и новый материал, поэтому необходимо провести дополнительные разработки, но решающий шаг эффективного соединения двух материалов уже доказан. «Нам все еще нужно оптимизировать кремниевые элементы для этого процесса», - говорит Бальдо. Во-первых, в новой системе эти ячейки могут быть тоньше, чем в текущих версиях. Также необходимо провести работу по стабилизации материалов для обеспечения долговечности. В целом, коммерческие приложения, вероятно, появятся еще через несколько лет, говорит команда.
Другие подходы к повышению эффективности солнечных элементов, как правило, включают добавление другого типа элемента, например слоя перовскита, поверх кремния. Бальдо говорит: «Они строят одну ячейку поверх другой. По сути, мы делаем одну ячейку - мы своего рода турбонаддув кремниевой ячейки. 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 за счет процесса, называемого пассивацией электрического поля. Если мы сможем лучше контролировать это явление, эффективность может стать еще выше». - говорит Айнзингер. До сих пор ни один другой испытанный ими материал не может сравниться с его свойствами.
Исследование проводилось при поддержке Центра экситоники Массачусетского технологического института, финансируемого Министерством энергетики США.