Открыт путь к третьему поколению солнечных батарей

Открыт путь к третьему поколению солнечных батарей

На днях опытному образцу преобразователя удалось поставить безусловный рекорд по одному из наиважнейших составляющих фотоэлектрических ячеек. Разработчики считают, что эксперимент освещает путь к созданию солнечных батарей нового поколения.

Итак, учёные, сотрудничающие с американской Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии (англ. NREL) построили весьма примечательную солнечную батарею (сокращённо – СБ), работающую на базе квантовых точек – кристаллов-полупроводников, размер которых составляет всего несколько нанометров.

Устройство составили из тонкого слоя прозрачного проводника, стекла с просветляющим покрытием, слоя рукотворных атомов (иначе – квантовых точек) из селенида свинца, дополненного толикой гидразина и этандитиола, а также наноструктурированных слоёв оксида цинка. Сей «бутерброд» завершался тонким золотым покрытием, выступившим в качестве верхнего электрода.

Внутренняя и внешняя и квантовая эффективность (англ., сокр. QE) батареи составили, соответственно, 130% и 114%.

Хочется пояснить, что QE измеряется для конкретно заданной частоты падающего света. Внутренней квантовой эффективностью называют отношение числа электронов к количеству поглощённых фотонов. А внешней квантовой эффективностью считается отношение числа генерируемых пар дырка-электрон к количеству фотонов, падающих на СБ.

В связи с тем, что некоторая часть опадающих на панель фотонов поглощается без какой-либо генерации носителей заряда либо же отражается обратно, внутренняя эффективность оказывается выше внешней.

Параметр QE – это ещё не общий КПД солнечной батареи, но тоже важен для конечного результата. Чем выше квантовая эффективность в как можно большем диапазоне частот и чем ниже рекомбинация только что образованных зарядов внутри материала, тем лучше суммарный коэффициент полезного действия ячейки.

Вплоть до сегодняшнего дня ни одна солнечная батарея на той или иной частоте падающего света не демонстрировала внешнюю квантовую эффективность, превышающую 100%. Таким образом, исследователи из NREL совершили настоящую революцию, добившись того, чтобы все упавшие на батарею фотоны создавали более 1 пары электрон-дырка на выходе.

Ключом к успешному научному прорыву стал процесс, именуемый множественной генерацией экситонов (англ., сокр. – MEG). Исследователи до сих пор демонстрировали его не в полноценной СБ, производящей электроэнергию, а в изолированных квантовых группах или точках.

Что же влияет на MEG. Как правило, параметры самого материала. Множественная генерация экситонов зависит в том числе от соотношения в полупроводнике энергии падающего фотона и ширины запрещённой зоны. Крайне важным при этом оказывается размер кристалла.

Упомянутые квантовые точки ограничивают носителей заряда в пределах крохотного объёма и осуществляют сбор избыточной энергии, которая терялась бы в противном случае в виде тепла. Следовательно, рукотворные атомы могут существенно увеличить эффективность перестройки фотонов.

Совокупный КПД в 4,5% данной опытной ячейки от NREL высоким не кажется. Но не будем забывать, что строение батареи не оптимизировали для сбора и дальнейшей передачи фототока. Главной целью была демонстрация рекордной квантовой эффективности подобранного сочетания материалов.

Солнечные батареи, которые эксплуатируют эффект MEG, относятся учёными к 3-му по счёту поколению. Как утверждают сотрудники лаборатории, все давно известные преобразователи энергии Солнца – на основе селенида меди-индия-галлия, теллурида кадмия, кремния, перспективные ячейки с элементами из 3-го, 4-го и 5-го столбцов менделеевской периодической таблицы – это СБ 1-го и 2-го поколений.

Автор

Запись опубликована 20 Декабрь 2011 в разделе Нано