Найден способ увеличить КПД кремниевого солнечного элемента до 35, разрушив фундаментальный предел Шокли-Квиссера

Мир неуклонно переходит на зеленую энергетику, и производители солнечных батарей беспрерывно стремятся к достижению выработки максимально возможного количества электричества в своих устройствах. Но путь этот не бесконечен и есть определенные физические ограничениями в их эффективности. Британская компания Cambridge Photon Technology полагает, что нашла способ значительно увеличить КПД, который способен предоставить кремний в фотоэлементах.

Все солнечные элементы работают примерно одинаково: свет падает на устройство и возбуждает электроны в ячейке, вызывая образование электрического тока. Предпочтительным фотоэлектрическим материалом является кремний, который может поглощать большую часть падающего солнечного света и преобразовывать его в электричество. Но лучше всего этот материал работает с фотонами в красной и ближней инфракрасной части спектра. Фотоны с более длинной длиной волны и меньшей энергией дальний инфракрасный диапазон, микроволны и радиоволны не дают достаточно энергии для протекания тока. Зеленые и синие фотоны с более короткой длиной волны содержат больше энергии, чем может конвертировать кремний, а избыточная энергия теряется в виде тепла.

Cambridge Photon Technology заявляет, что нашла способ остановить эти потери за счет преобразования фотонов с более высокой энергией в фотоны с более низкой энергией, которые может использовать солнечный элемент.

Мы пытаемся решить эту проблему, как улучшить производительность фотоэлемента и значительно снизить затраты, не отказываясь от устоявшейся кремниевой технологии, говорит Дэвид Уилсон, глава отдела развития бизнеса компании.

Максимальная эффективность определяется фундаментальной формулой Шокли-Квиссера. Все фотоэлектрические материалы обладают свойством, называемым шириной запрещенной зоны, которое определяет, сколько энергии может быть передано отдельным электронам (для кремния это 1,1 электрон-вольт). Это соответствует фотонам в ближней инфракрасной части спектра. Фотоны с более высокой энергией, чем эта ширина запрещенной зоны весь спектр видимого света могут генерировать электроны, но любая дополнительная энергия фотона за пределами ширины запрещенной зоны материала высвобождается в виде тепла. Из-за этого ограничения обычный солнечный элемент, работающий в идеальных условиях, может преобразовать в электричество в лучшем случае 29% солнечной энергии.

Новый метод, основанный на явлении, называемом делением синглетного экситона, был разработан физиком Акшаем Рао и его командой из Кембриджского университета. Рао также является главным научным сотрудником стартапа. Когда свет попадает на фотоэлектрический материал, он создает экситон, в котором отрицательно заряженный электрон и положительно заряженная дырка связаны электростатическим зарядом. Но если материал представляет собой органический полимерный полупроводник, фотон может создать не один, а два менее энергетических экситона, и оба они быть преобразованы в электрический ток.

Вы сохраняете общую энергию, которая входит и выходит, но вы заставляете кремний получать более высокий поток фотонов в той части спектра, которую он хорошо преобразует в электричество, говорит Уилсон.

Инженеры компании разработали пленочный фотоэлектронный умножитель, состоящий из слоя органического полимера под названием пентацен, усеянного квантовыми точками селенида свинца небольшими светоизлучающими комками неорганического материала. Полимер поглощает синие и зеленые фотоны и превращает их в пары экситонов. Эти экситоны перетекают в квантовые точки, которые поглощают их и испускают фотоны красного или инфракрасного излучения с меньшей энергией. Когда пленку помещают поверх кремниевого солнечного элемента, свет от квантовых точек падает на кремний. Вместе с этим красные и инфракрасные волны непосредственно от Солнца проходят через полимерную пленку и попадают на кремний, как обычно. В результате на кремний попадает больше пригодных для использования фотонов, увеличивая производство электрического тока.

Ученые подсчитали, что этот метод двойного экситона теоретически может увеличить потенциальную эффективность преобразования солнечных элементов до 35%. По словам Уилсона, компания еще не приблизилась к этому уровню, но к концу 2022 года она надеется создать прототип, который преобразует около 31% солнечного света в электричество.

Эффективность фотоэлектрических систем могут повысить и другие решения. Тандемные солнечные элементы, например, дополнительно используют перовскиты, которые могут улавливать фотоны с более короткой длиной волны. В соединении с кремниевыми элементами эти гибриные устройства получают увеличенный КПД. Но их проблема заключается в сложности заставить два устройства работать вместе, производя разные токи. Создание солнечных элементов из другого материала также требует дополнительного производственного процесса и нового оборудования, что может привести к росту затрат.

Весь наш подход заключался в том, чтобы избежать этих проблем и сделать простой, нетоксичный материал без электрических соединений, что очень мало усложняет существующую конструкцию, говорит Уилсон.

Идея Cambridge Photon Technology кажется осуществимой, говорит Кристофер Бардин, химик из Калифорнийского университета в Риверсайде, не связанный с компанией. По его словам, то многообещающая технология, которая обеспечивает простую альтернативу тандемным ячейкам.

Пленочный электрофотонный умножитель компании может легко вписаться в существующие производственные процессы, говорит Уилсон. Готовую пленку можно продавать производителям солнечных панелей для размещения на их фотоэлектрических модулях. Более простой подход может состоять в том, чтобы продавать готовое решение компаниям, которые производят либо слой винилацетата, покрывающий кремний, либо стекло, покрывающие солнечные элементы. Затем производители панелей могут собирать уже обработанные компоненты в готовое устройство. Каким бы ни был подход, Уилсон надеется, что продукт будет готов к выпуску на рынок примерно через три года.

В Cambridge Photon Technology работает около дюжины человек, и компания привлекла 1,4 миллиона долларов США в виде акционерного капитала. Он также имеет ряд исследовательских грантов и доступ к исследователям и объектам Кембриджского университета для дальнейшего развития технологии. Она получила лицензию на четыре ключевых патента университета.

Хотя компания создала действующие прототипы пленки и квантовых точек, она не собрала все части в работающий солнечный элемент с повышенной эффективностью.

Действительно ясно, что в таких фотоэлементах существует довольно острая необходимость, - говорит он. - И эта технология будет иметь большое значение для удовлетворения этой потребности.

Источник: nature.com

Сейчас читают

• Остров Маргарита. Животный мир.

• Туристические итоги 2023

• Команда российских кайтсерферов совершила первый в мире переход от Багам до Кубы через Старый Багамский пролив протяженностью 108 км за 6 часов 37 минут

• Поездка на Альпику - 1. Роза Хутор. Медвежий угол и заброшенный мост

• Не заблудиться на рождественских ярмарках в Кобленце

• Малоизвестные участники Сталинградской битвы