Исследование HZB. Предел КПД солнечных элементов можно поднять до 40%

Одним из важнейших параметров солнечных панелей является эффективность. Она показывает, какой процент поглощаемой солнечной энергии превращается в электрическую. В теории предел для кремниевых солнечных батарей составляет 29,3%, но ученые из исследовательского центра им. Гельмгольца (HZB) полагают, что это ограничение можно обойти за счет включения в солнечную ячейку слоев из органических молекул. Эти слои запускают квантово-механический процесс разделения синих и зеленых фотонов. Как следствие, количество электротока удваивается.

Принцип новой технологии заключается в следующем: обычно на фотон генерируется одна пара носителей заряда, состоящая из отрицательного и положительного электронов, но команда ученых из HZB решила сконструировать фотоэлемент таким образом, что некоторые высокоэнергетичные фотоны используются для генерации одновременно двух пар носителей заряда. Исследователи назвали это "эффектом мультипликатора".

Основная задача была в том, чтобы разделить триплетные экситоны на границе с кремнием – это отделяло бы положительные носители заряда от отрицательных и позволило бы им вносить вклад в производство энергии. В эксперименте на практике было доказано, что это возможно. Австралийский ученый Роуэн Маккуин, член команды из HZB, утверждает, что с помощью такого метода можно достичь двойного нормального предела эффективности для солнечных батарей, или, как минимум, увеличить его до 40%.

В работе, опубликованной исследователями NBZ в журнале «Materials Horizons», была описана интеграция на поверхность кремниевой солнечной батареи слоя делящихся кристаллов тетрацена толщиной всего 100 нанометров. В итоге стало понятно, что расщепление триплетных пар еще более эффективно с дополнительно введенным органическим проводником под названием PEDOT:PSS.

Тетрацен поглощает сине-зеленую часть спектра, а низкоэнергетичные фотоны поглощаются кремнием. Используя подобную симуляцию, ученые сделали вывод, что в настоящее время около 5-10% триплетных пар, образующихся в слое тетрацена, можно добавить к выходной мощности батареи. Для всей группы HZB это уже большой успех, исследователи готовы и далее работать над идеей повышения КПД солнечных батарей.