Ученые из Массачусетского технологического института (MIT) повысили эффективность существующих кремниевых солнечных элементов с помощью метода деления синглетных экситонов. Это может увеличить эффективность солнечных элементов с 18% до 35%, тем самым удвоив выходную мощность и снизив стоимость солнечных технологий.
Крайне важно сократить нашу зависимость от ископаемого топлива и создавать технологии для устойчивого будущего. Солнечная энергия — это возобновляемый источник энергии , в котором солнечный свет преобразуется в электрическую энергию. Солнечные элементы чаще всего изготавливаются из кремния, который использует фотоэлектрический процесс для преобразования солнечного света в электричество. Также разрабатываются тандемные элементы, которые обычно включают перовскитные ячейки, где каждая секция солнечного элемента может использовать энергию Солнца из его разнообразного спектра, что обеспечивает более высокую эффективность. Эффективность современных солнечных элементов ограничена всего 15-22 процентами.
В исследовании, опубликованном 3 июля в журнале Nature, показано, как эффективность кремниевых солнечных элементов может быть повышена до 35 процентов за счет применения эффекта, называемого расщеплением синглетных экситонов. При этом эффекте одна частица света (фотон) может генерировать две электронно-дырочные пары вместо одной. Расщепление синглетных экситонов наблюдается во многих материалах с момента его открытия в 1970-х годах. Целью данного исследования было впервые применить этот эффект в жизнеспособном солнечном элементе.
Исследователи перенесли эффект деления одиночного экситона из тетрацена — известного материала, демонстрирующего этот эффект, — в кристаллический кремний. Этот материал, тетрацен, представляет собой углеводородный органический полупроводник. Перенос был достигнут путем размещения дополнительного тонкого слоя оксинитрида гафния (8 ангстрем) между экситонным слоем тетрацена и кремниевым солнечным элементом и их соединения.
Этот крошечный слой оксинитрида гафния действовал как мостик и обеспечивал генерацию высокоэнергетических фотонов в слое тетрацена, которые затем инициировали высвобождение двух электронов в кремниевой ячейке вместо обычного одного. Такая сенсибилизация кремниевой солнечной ячейки снижала потери на теплопроводность и обеспечивала лучшую чувствительность к свету. Выходная мощность солнечных элементов удваивалась, поскольку больше энергии генерировалось из зеленой и синей частей спектра. Это может повысить эффективность солнечных элементов до 35 процентов. Технология отличается от тандемных солнечных элементов тем, что она просто добавляет больший ток к кремнию без добавления дополнительных ячеек.
В текущем исследовании были продемонстрированы импровизированные кремниевые солнечные элементы с синглетным делением, которые могут демонстрировать повышенную эффективность и, таким образом, снижать общую стоимость производства энергии в солнечной технологии.
{Вы можете прочитать исходную исследовательскую работу, щелкнув ссылку DOI, приведенную ниже в списке цитируемых источников}
Источник (ы)
Эйнцингер, М. и др. 2019. Сенсибилизация кремния путем деления синглетного экситона в тетрацене. Nature. 571. https://doi.org/10.1038/s41586-019-1339-4
