Солнечные батареи из черного кремния смогут производить электричество из тепла

Солнечные батареи преобразуют в электричество лишь три четверти энергии, содержащейся в солнечном спектре, а четверть полностью теряется, поскольку инфракрасное излучение стандартные панели не поглощают.

Чтобы это излучение тепла не пропадало зря, разработаны солнечные панели из черного кремния. Материал поглощает почти весь солнечный свет, включая инфракрасное излучение, и преобразует его в электричество.

Черный кремний производится посредством облучения стандартного кремния, помещенного в насыщенную серой атмосферу, фемтосекундными лазерными импульсами.

Исследователям из HHI уже сейчас удалось удвоить эффективность черных кремниевых солнечных элементов, они создали образцы, которые могут производить больше электроэнергии из инфракрасного спектра.

При использовании обычного кремния, ИК-излучению не хватает энергии, чтобы возбудить электроны в зоне проводимости и конвертировать их в электричество, но атомы серы, включенные в черный кремний, образуют своего рода промежуточный уровень. Это можно сравнить с попыткой взобраться на стену: первый раз вы терпите неудачу, потому что стена слишком высока, но во второй раз вы добиваетесь успеха в два этапа, используя промежуточный уровень.

Возбудить электроны в атомах серы проще, а если на такой атом с уже возбуждённым электроном придёт очередная волна инфракрасного излучения, то в результате этого двухступенчатого возбуждения электрон достигнет энергии, которая позволит ему «перескочить» на близлежащий атом кремния и «заставить» его генерировать электричество.

Однако этот промежуточный уровень позволяет электронам не только взойти «по стене», но и работает в обратном направлении: электроны от кремния могут перейти к сере, и будут потеряны для энергетики. Долгое время это снижало эффективность чёрного кремния и не позволяло говорить о его преимуществе над обычным. Но немецким исследователям удалось справиться с этой проблемой.

Были использованы лазерные импульсы для изменения встроенной серы для того, чтобы увеличить число электронов, которые могут «взобраться», минимизируя при этом число, которое может вернуться вниз».

Для этого были изменены параметры лазерных импульсов, используемых при допировании, таким образом, чтобы конечная кристаллическая решётка требовала для перехода от атома кремния к атому серы больше энергии, чем для обратного перехода. Это позволило удвоить коэффициент полезного действия по сравнению с ранними образцами чёрных фотоэлементов.

Но важным будет не только повышение эффективности, но и снижение перегрева фотоэлементов. Нагрев выше 25 градусов по Цельсию ведёт к падению КПД до 0,5% на градус, что в жаркие дни снижает эффективность батарей. Если же чёрный кремний будет преобразовывать инфракрасное излучение в электричество, скорость нагрева и его, и обычного кремния, работающего с ним в паре, будет куда ниже, а падение КПД сведётся к минимуму.