Традиционно считается, что эффективность стандартных кремниевых фотоэлементов не может превышать 29,1%. Отчасти это связано с тем, что каждый фотон может выбить только один электрон, даже если его энергии достаточно для взаимодействия с двумя. Ученые уже несколько десятилетий пытаются преодолеть это ограничение.
Исследователям из Массачусетского технологического института удалось добиться прорыва в этом направлении. Как сообщает Science Daily, еще шесть лет назад члены команды доказали возможность выбивания двух электронов одним фотоном. Однако в тех опытах использовался малоэффективный органический фотоэлемент.
Теперь же ученым удалось повторить этот эффект в кремниевой солнечной батарее. Именно они сейчас наиболее распространенные.
Ключом к решению задачи стал класс материалов, содержащих возбужденные квазичастицы экситоны. Под их воздействием энергия одного фотона разделяется на два независимых энергетических пакета. Этот процесс известен как синглетное деление экситона.
Самым сложным было связать энергию экситонов с кремнием — неэкситонным материалом. Предыдущие исследования буксовали именно на этом этапе. Команда из MIT добилась успеха за счет добавления тончайшего промежуточного слоя между поверхностным слоем из тетрацена и кремниевым солнечным элементом. Этот переход толщиной всего несколько атомов состоит из оксинитрида гафния.
Объединив три элемента, исследователи удвоили количество энергии, производимой солнечным светом в сине-зеленой части спектра. Это означает увеличение теоретического максимума кремниевых фотоэлементов с 29,1% до 35%.
Авторы разработки отмечают, что ее коммерческое использование начнется не раньше, чем через несколько лет. До этого предстоит оптимизировать используемые кремниевые элементы и протестировать полученные пластины на прочность. Они также надеются, что дальнейшие исследования, например, в области управления свойствами оксинитрида гафния, могут дополнительно повысить КПД фотопанелей.
Даже несовершенные солнечные панели приобретают все большую популярность в качестве источника электричества. В ОАЭ недавно ввели в эксплуатацию крупнейшую в мире солнечную ферму мощностью 1,2 ГВт. Она занимает площадь 8 кв. км.
