Новый наноматериал позволит увеличить выработку солнечных батарей

Объединенная команда исследователей из FOM Foundation, Технологического университета Делфта, европейского подразделения компании Toyota Motor и Университета Калифорнии разработали новую наноструктуру, используя которую, они надеются значительно увеличить производительность солнечных батарей за счет минимизации потерь энергии в виде тепла.

Эффективность преобразования кремниевых солнечных элементов напрямую зависит от того, какое количество электронов, получив энергию фотонов, смогут перейти через «запрещенную зону». Для этого необходимо, чтобы энергия фотона была равна ширине этой «запрещенной зоны» кремния. Однако, солнечный свет содержит много фотонов с энергией больше ширины «запрещенной зоны». В результате избыток энергии теряется в виде тепла, что ограничивает выработку солнечного элемента.

Еще несколько лет назад исследователи из Технологического университета Делфта разработали полупроводниковый материал в виде небольших сфер, которые собирают избыточную энергию фотонов и позволяют дополнительным электронам перепрыгнуть через «запрещенную зону». Эти наносферы, так называемые квантовые точки, имеют диаметр всего одной десятитысячной части человеческого волоса. Однако, несмотря на всю теоретическую привлекательность применения нового материала, на практике выход мощности солнечного элемента увеличивался ненамного.

Проблема состояла в том, что большинство электронов остаются в «ловушке» своих квантовых точек из-за использования больших молекул для стабилизации поверхности наносфер. Эти большие молекулы и препятствуют «перескакиванию» электронов с одной квантовой точки на другую и, как следствие, образованию свободного потока электронов (электрического тока).

В новой конструкции наноматериала, разработанного международной командой ученых, большие молекулы заменены малыми молекулами, а пространство между квантовыми точками заполнено оксидом алюминия. Это позволило улучшить контакт между квантовыми точками и привело в большей выработке электричества солнечным элементом.

Используя лазерную спектроскопию, ученые выяснили, что один фотон действительно вызывал прохождение нескольких электронов через «запрещенную зону» в материале, содержащем квантовые точки. Проведя расчеты, они убедились, что теоретически можно повысить общую производительность солнечного элемента до 45 процентов – это на 10 процентов больше, чем эффективность обычной солнечной батареи.

Теперь исследователи намерены найти промышленных партнеров, с тем, чтобы построить прототип солнечного элемента с использованием новой конструкции.