Новий матеріал може замінити кремнію шляхом довоєнної ефективності сонячних батарей

Американські дослідники показали, що в перовські сонячні клітини, зарядні носії з надлишковою енергією здатні подорожувати значною відстані, перш ніж розсіювати її як спеку. Це означає, що цілком можливо реалізувати фотоелектричні клітини на гарячих носіях, для яких теоретичний ліміт ефективності вдвічі вище, ніж звичайний кремній, на практиці. Дослідження опубліковано в журналі Science.





У найбільш поширених сонячних клітинах сьогодні за допомогою кремнію як напівпровідника, теоретично можлива ефективність ледь перевищує 30 відсотків.

Це тому, що клітини кремнію здатні використовувати спектр сонячних променів в складі. Фотонни, що мають енергію нижче порогу, просто не вбираються, і ті, що мають занадто високий привід до утворення так званих гарячих зарядних носіїв (наприклад, електронів) на фотокліпи. Життя останнього – близько пікосекунду (10-12 секунд), після чого «згорнути», тобто відхилити зайву енергію у вигляді тепла. У випадку збирання гарячих носіїв, це підвищить рівень теоретичної ефективності до 66 відсотків, або подвійного. Незважаючи на те, що в деяких експериментах спостерігається невелике збереження енергії, елементи на гарячих носіях залишаються досить гіпотетичними.

Вчені з Університету Purdue та Національної лабораторії відновлюваної енергії (США) допомогли вивчити новий перспективний клас фотоелектричних клітин на основі перовських і продемонстрували, що в таких елементах гарячі носії не тільки мають підвищеного часу життя (до 100 піосекунд), але також здатні «бігти» значних дистанцій декількох сотень нанометрів (що можна порівняти з товщиною напівпровідника).

Органометалічні перовскіти отримують їх назву від їх кристалічної структури. В основному повторює структуру природного мінералу - перовсит, або кальцій титанат. Хімічно змішують халати свинцю та органічні цитування. Автори використовують загальний перовкит на основі свинцю йоду і метиламінуму. З огляду на те, що термін служби гарячих носіїв в перовських умовах значно підвищується порівняно з іншими напівпровідниками, автори вирішили дізнатися, наскільки гарячими носіями можна перевозити під час їх охолодження. Використовуючи ультрашвидкісну мікроскопію, дослідники змогли безпосередньо спостерігати транспорт гарячих носіїв в тонких перовських плівках з високою просторовою і часовою роздільною здатністю.







Перевезення гарячих носіїв в напівпровіднику під час першого пікосекунду після збудження

Виявилося, що повільне охолодження в перовськітах пов'язане з діапазоном до 600 нанометрів. Це означає, що зарядні носії з надлишковою енергією теоретично здатні подолати шар напівпровідника і досягати електроду, тобто вони можуть збиратися (як реалізувати це технічно, автори роботи не обговорюються). Таким чином, сонячні елементи на гарячих носіях можуть бути в змозі реалізувати, приймаючи в якості основи перовки.





На сьогоднішній день в багатошарових багатокомпонентних фотоелектричних клітинах, які включають арсенід аллію, індію, німецький з фосфорними включеннями. Ці напівпровідники використовують набагато ефективніше, поглинаючи різні частини спектра. Вони дуже дорогі для виробництва, тому вони використовуються тільки в космічній промисловості. Раніше ми писали про елементи на основі кадмію, які можна виробляти у вигляді гнучких і тонких плівок. Незважаючи на те, що загальний внесок у виробництво сонячної енергії все ще менше 1%, темп зростання може бути викликаний вибуховим. Країни, такі як Індія та Китай, особливо зацікавлені у використанні відновлюваної сонячної енергії. Наприкінці 2016 року компанія Google оголосила, що вона буде переключена на відновлювану енергію цього року.

В даний час в повсякденному житті використовуються переважно силіконові сонячні клітини, реальна ефективність яких становить 10-20 відсотків. Елементи, що базуються на perovskites, з'явилися менше 10 років тому і відразу ж викликали заслуги. Ефективність таких елементів швидко збільшується і майже до 25 відсотків, що порівняно з кращими зразками кремнієвих сонячних батарей. Вони також дуже прості у виготовленні. Незважаючи на технологічний успіх, фізичні засади функціонування перовських клітин відносно мало вивчені, тому робота вчених з США робить важливий внесок у основи фотоелектрики і, звичайно, тягне за собою перспективу подальшого підвищення ефективності сонячних батарей. Видання



P.S. І пам'ятайте, що просто змініть наше споживання – разом ми змінюємо світ!

Джерело: //phys.org/news/2017-04-crystalline-material-silicon-efficiency-solar.html