Ученые из MIT и Принстонского университета опубликовали в журнале Nature статью под названием «Сенсибилизация кремния делением синглетных экситонов в тетрацене».
Традиционные «однопереходные» («однослойные») кремниевые солнечные элементы имеют теоретический максимальный КПД около 29,1%, поскольку существует предел того, сколько солнечного света может быть преобразовано в полезное электричество (названный пределом Шокли – Квиссера).
Сегодня высокоэффективные солнечные элементы в серийном исполнении обладают эффективностью более 20%.
Когда фотоны проходят через обычные кремниевые солнечные элементы один фотон обычно может передавать свою энергию только одному электрону, даже в том случае, если фотон содержит больше энергии — некоторые части светового спектра, особенно синий и зеленый, имеют достаточно энергии для «возбуждения» нескольких электронов.
Обычно эта избыточная энергия превращается в отработанное тепло, и исследователи искали способ использовать эту дополнительную энергию, видя в ней потенциал для повышения эффективности солнечных элементов.
Исследователи из MIT и Принстона нашли способ использования этой энергии.
Исследователи покрыли кремниевые клетки слоем материала, называемого оксинитридом гафния. Толщина слоя составляет всего несколько атомов, но он, в конечном счете, позволяет одиночным фотонам с высокой энергией инициировать высвобождение двух электронов внутри кремниевой ячейки, что приводит к удвоению количества энергии, производимой данным количеством солнечного света в сине-зеленой части спектра.
«Оказывается, эта крошечная, крошечная полоска материала на границе между этими двумя системами в конечном итоге определяет все. Вот почему другие исследователи не смогли заставить этот процесс работать, и почему мы наконец-то сделали это», — отмечают авторы.
В результате теоретическая максимальная эффективность «простой» однопереходной кремниевой солнечной ячейки может быть повышена до 35%.
Теоретическая концепция, которая лежит в основе нового открытия, известна уже несколько десятилетий, но только сейчас ученым удалось подтвердить теорию на работающем солнечном элементе.
В мировых лабораториях идёт постоянная работа над повышением эффективности солнечных элементов. Вот так сегодня выглядит знаменитый чарт NREL:
Как мы видим, рекордная эффективность элементов в лабораторных условиях превышает 45%, но речь идёт о «многопереходных» устройствах, в которых используется несколько слоёв разных материалов, и за счёт «перехода» между этими материалами достигается повышение эффективности.
В рассмотренном сегодня случае речь идёт о «простых» однослойных кремниевых ячейках.