В любых обычных кремниевых солнечных батарей, есть абсолютный предел на общую эффективность, основываясь отчасти на том, что каждый фотон света может только сбить потерять один электрон, даже если этот фотон нес вдвое больше энергии, необходимой, чтобы сделать так. Но теперь, исследователи продемонстрировали способ получения высокоэнергетических фотонов поражает кремния выгнать два электрона вместо одного, открывая двери для нового вида солнечных батарей с большей эффективностью, чем это казалось возможным.
В то время как обычные кремниевые элементы имеют абсолютный теоретический максимум КПД около 29,1 процента конверсии солнечной энергии, новый подход, разработанный в течение последних нескольких лет исследователи из Массачусетского технологического института и других местах, может проломиться через предел, потенциально добавив несколько процентных пунктов к максимальной мощности. Результаты описанный сегодня в журнале Nature, в статье аспиранта Маркус Einzinger, профессор химии Moungi Bawendi, профессор электротехники и компьютерных наук Марк Бальдо, и восемь других Массачусетского технологического института и Принстонского университета.
Основная концепция этой новой технологии была известна на протяжении десятилетий, и первым доказательством того, что принцип может работы проводились некоторыми членами этой команды шесть лет назад. Но на самом деле перевод способ в полной, оперативной кремниевых солнечных батарей потребовались годы упорного труда, Бальдо говорит.
Что первым доказательством того, что “был хорошим тестом платформы”, чтобы показать, что идея может сработать, — поясняет Даниэль конгрев кандидат ’15 выпускник сейчас в Роуленд института в Гарварде, который был ведущим автором в том, что до отчета и соавтор новой бумаги. Теперь, с новыми результатами, “мы сделали то, что мы намеревались сделать” в этом проекте, говорит он.
Первоначальное исследование показало производство двух электронов от одного фотона, но он сделал это в органических фотоэлементов, которые менее эффективны, чем кремниевые солнечные ячейки. Оказалось, что перенос двух электронов из верхнего слоя собирают из tetracene в силиконовую ячейку “не просто”, — говорит Кирсанов. Трой Ван Voorhis, профессор химии Массачусетского технологического института, который был частью оригинальной команды, отмечает, что эта концепция была впервые предложена еще в 1970-х, и говорит с усмешкой, что воплощению этой идеи в практические устройства “понадобилось всего 40 лет”.
Ключ к раздвоению энергия одного фотона в двух электронов лежит в классе материалов, которые обладают “возбужденных состояний”, называемые экситонами, Бальдо говорит: в эти экситонные материалов, “эти пакеты энергии распространяться вокруг, как электроны в цепи”, но с совсем другими свойствами, чем электроны. “Вы можете использовать их, чтобы изменять энергию — вы можете разрезать их пополам, вы можете объединить их.” В этом случае они проходили через процесс, называемый деления синглетного экситона, которая, как энергия света разделяется на два отдельных, самостоятельно передвигаясь пакетов энергии. Материал сначала поглощает фотон, образующих экситон, что быстро проходит деление на два возбужденных состояний, каждая с половину энергии первоначальное состояние.
Но самая сложная часть была тогда соединение, что энергии в кремний, материал, который не экситонные. Это соединение никогда не было сделано раньше.
Как промежуточный этап, команда попыталась соединение энергии от экситонного слоя в материале под названием квантовых точек. “Они все еще экситонные, но они неорганические,” Бальдо говорит. “Что это сработало; он работал как шарм”, — говорит он. Понимание механизма происходящих в этот материал, говорит он, “у нас не было никаких оснований думать, что силикон не будет работать.”
То, что эта работа показала, Ван Voorhis говорит, что ключ к этим передача энергии лежит на самой поверхности материала, а не в ее толще. “Так было ясно, что поверхность химии на кремний будет важно. Так обстояли дела, чтобы определить, какие виды поверхностных состояний были”. Которые сосредоточены на поверхностной химии, возможно, было то, что позволило этой команде, чтобы преуспеть там, где другие нет, он предлагает.
Ключ был в тонкий промежуточный слой. “Оказывается, этот крошечный полосы материала на стыке этих двух систем [кремниевых солнечных батарей и tetracene слой с экситонные свойства] в итоге, определяющие все. Вот почему другие исследователи не смогли сделать этот процесс работать, и поэтому мы наконец-то сделали”. Он был Einzinger“, который наконец-то треснул, что орехов”, — говорит он, используя слой из материала под гафний оксинитрида.
Слой всего в несколько атомов толщиной, или просто 8 Ангстрем (десяти миллиардных долей метра), но он действовал как “симпатичный мостик” для возбужденных состояний, Бальдо говорит. Что, наконец, сделали это возможным для отдельных фотонов высоких энергий, чтобы вызвать освобождение двух электронов внутри Кремниевой ячейки. Что производит удвоения количества энергии, произведенного с учетом количества солнечного света в синей и зеленой части спектра. В целом, которые могли бы произвести увеличение мощности выпускаемых солнечных батарей — от теоретического максимума на 29,1%, до максимума около 35 процентов.
Фактическое кремния клетки, но не на максимальное, и ни на есть новый материал, так что нужно сделать более развития, но важнейшим шагом на пути соединения этих двух материалов эффективно уже доказано. “Нам по-прежнему необходимо для оптимизации кремниевых элементов на этот процесс”, — говорит Кирсанов. Для один вещь, с новой системой эти клетки могут быть тоньше, чем текущие версии. Работы также должен быть сделан на стабилизации материалов на прочность. В целом, коммерческие приложения, наверное, еще несколько лет, команда говорит.
Другие подходы к повышению КПД солнечных батарей, как правило, предполагает добавление еще одного типа клеток, например, слой перовскита, над кремния. Бальдо говорит: “они строят одну клетку на другую. По сути, мы делаем одну ячейку — мы вроде турбонаддува кремниевые ячейки. Мы добавляем больше тока в кремний, в отличие от двух клеток”.
Исследователи измерили одно особое свойство гафния оксинитрида, что помогает ему передать экситонные энергии. “Мы знаем, что гафний оксинитрида генерирует дополнительную плату в интерфейсе, который уменьшает потери посредством процесса, называемого электрическим полем пассивации. Если мы сможем обеспечить контроль над этим явлением, эффективность может подняться еще выше”. Einzinger говорит. До сих пор никакой другой материал, они испытывали не может соответствовать его свойства.
Исследование было поддержано в рамках Центра МТИ по Excitonics, финансируемого Министерством энергетики США.
