Квантовые вентильные фотоэлементы

Сегодня промышленные солнечные элементы преобразуют в электроэнергию всего 10—15 % поглощаемого солнечного света, из-за чего эта энергия получается очень дорогой. Одна из причин в том, что теоретический предел КПД одиночного слоя поглощающего кремния составляет всего около 31 % (у лучших лабораторных элементов он достигает 26 %). Новые исследования полупроводниковых кристаллов или квантовых точек могут повысить теоретический предел КПД до 60 %, что наметит путь создания изделий, способных вырабатывать электроэнергию по конкурентоспособным ценам.

В обычном солнечном элементе падающие фотоны выбивают из атомов кремния электроны, которые получают возможность свободно перемещаться к собирающим проводникам, создавая электрический ток. К сожалению, энергия многих солнечных фотонов слишком велика, так что выбиваемые ими электроны оказываются «горячими». Они быстро теряют свою избыточную энергию в виде тепла и возвращаются в исходное состояние раньше, чем будут захвачены собирающим проводником. Если бы удалось захватывать горячие электроны до того, как они остынут, предельное значение КПД можно было бы удвоить.

Один из способов добиться этого состоит в том, чтобы замедлить процесс охлаждения электронов и в результате этого получить больший запас времени для их захвата. В прошлом году химик Чжу Сяоян (Xiaoyang Zhu) из Техасского университета в Остине и его коллеги обратились к квантовым точкам, содержащим по нескольку тысяч атомов. Они нанесли такие точки из селенида свинца на проводящий слой из общедоступного диоксида титана. Когда эту систему осветили, охлаждение горячих электронов стало занимать в 1 тыс. раз больше времени. Чжу “на деле показал, что эта концепция осуществима”, — сказал Прашан Камат (Prashan Kamat) из Университета Нотр-Дам, который не участвовал в этой работе.

Однако замедление охлаждения электронов — только часть работы. Теперь Чжу ищет способы помочь собирающему проводнику преобразовать максимальную долю этих электронов в электрический ток, а не в тепло. Для создания солнечного элемента на основе данного принципа нужно преодолеть еще много препятствий. “Нам нужно определить, какие физические процессы задействованы”, — говорит Чжу, а именно, как охлаждаются горячие электроны и как они превращаются в электроны проводимости. “Когда мы выясним все это, мы сможем сказать, каким должен быть окончательный материал. Работа потребует времени, но я уверен, что мы сможем сделать это”, — предсказывает он. — “И я хочу увидеть нашу солнечную батарею на своей крыше”.

Коммерческая отдача от реализации проекта может быть огромной.

Квантовые вентильные фотоэлементы

Читайте также

Комментарии