Материал, который эффективно разделяет фотон на две части, – это один из способов, которым ученые пытаются повысить эффективность солнечных элементов сверх того, что они считали возможным.
Солнечные батареи на домах
Солнце покрывает Землю достаточным количеством фотонов каждый час, чтобы удовлетворить потребности всего мира в энергии в течение года. Вопрос в том, как эффективно преобразовать их в электричество. Даже в небольших лабораторных условиях лучшие в мире однопереходные солнечные элементы, подобные тем, которые встречаются в большинстве солнечных панелей, по-прежнему максимально используют 29 процентов солнечной энергии. Это ставит их в тупик от жесткой границы в одну треть, которую солнечные исследователи рассчитывали полвека назад. Но ученые, изучающие фотогальванику – процесс превращения солнечного света в электричество, – также давно подозревали, что этот предел не так сложен, как когда-то казалось.
Предел эффективности солнечного элемента, известный как предел Шокли-Кейссера, составляет от 29 до 33 процентов, в зависимости от того, как вы его измеряете. Он предполагает использование однопереходной ячейки, что означает, что он изготовлен с использованием только одного типа полупроводника и питается от прямых солнечных лучей. Чтобы приблизиться к пределу, исследователи попытались сложить несколько типов полупроводников или использовать линзы, чтобы сконцентрировать свет так, чтобы элемент получал взрыв в сотни раз более сильный, чем солнце. Ранее в этом году Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии установила мировой рекорд, когда использовала солнечный элемент с шестью переходами и луч, в 143 раза более концентрированный, чем солнечный свет, для достижения колоссальной эффективности использования энергии на 47,1 процента.
Но эта технология никогда не будет развернута в масштабе. По словам Марка Бальдо, профессора электротехники и компьютерных наук в Массачусетском технологическом институте, причина в том, что эти сверхвысокоэффективные многослойные солнечные элементы слишком сложны и дороги для производства в качестве солнечных батарей. Чтобы фактически получить больше солнечной энергии в электрической сети, необходимо выяснить, как достичь предела Шокли-Кейссера с помощью однопереходных солнечных элементов на основе кремния, которые сравнительно легко и дешево производить. Еще лучше найти способ повысить предел. И после десятилетия работы Бальдо и его коллеги, возможно, наконец выяснили, как это сделать.
Как подробно описано в статье, опубликованной на прошлой неделе в журнале Nature, команда Бальдо покрыла солнечные элементы тонким слоем тетрацена, органической молекулы, которая эффективно разделяет поступающие фотоны на две части. Этот процесс известен как деление экситонов и означает, что солнечный элемент способен использовать фотоны высокой энергии из сине-зеленой части видимого спектра.
Вот как это работает. Кремниевые солнечные элементы генерируют электрический ток, используя входящие фотоны, чтобы выбить электроны из кремния в цепь. Сколько энергии это займет? Это зависит от атрибута материала, известного как его запрещенная зона. Запаздывание кремния соответствует инфракрасным фотонам, которые несут меньше энергии, чем фотоны в видимой части электромагнитного спектра. Фотоны за пределами кремниевой запрещенной зоны по существу уходят в отходы. Но вот где появляется тетрацен: он расщепляет сине-зеленые фотоны на два «пакета» энергии, каждый из которых эквивалентен инфракрасному фотону. Таким образом, вместо того, чтобы каждый инфракрасный фотон освобождает один электрон, один фотон в сине-зеленом спектре может освободить два электрона. По сути, он получает два фотона по цене одного.
Эта новая ячейка представляет принципиально новый подход к общеизвестному трюизму в исследованиях в области фотогальваники: если вы хотите преодолеть предел Шокли-Кейссера, вам нужно захватывать энергию из более широкого диапазона солнечных фотонов. Поскольку эта ячейка не использует дорогостоящую пачку материалов с различными запрещенными зонами для расширения своего диапазона, в конечном итоге она также может быть более практичной. Бальдо говорит, что использование тетрацена может поднять теоретический предел энергоэффективности до 35 процентов – выше, чем когда-либо считалось возможным для однопереходных ячеек.
Хотя добавление тетрацена концептуально просто, его реализация была менее реальной. Причина, говорит Бальдо, заключается в том, что, если нанести тетрацен непосредственно на кремний, они взаимодействуют таким образом, что убивают электрический заряд. Задачей Бальдо и его коллег было найти материал, который мог бы быть зажат между этими двумя материалами, чтобы пакеты энергии могли течь из тетрацена в кремний. Теоретическая литература давала им мало советов, поэтому команда вовлеклась в длительный процесс проб и ошибок, чтобы найти правильный интерфейсный материал. Это оказался слой оксинитрида гафния толщиной всего восемь атомов.
Но в этой камере еще не было записей. Его эффективность составила около 6 процентов в тестах, поэтому ему предстоит пройти долгий путь, прежде чем он сможет конкурировать с эко излучая кремниевые солнечные элементы, не говоря уже о том, чтобы показываться на крыше. Но эта работа была предназначена только для доказательства концепции деления экситонов в солнечном элементе. По словам Бальдо, для повышения эффективности элемента потребуются некоторые инженерные работы по его оптимизации для деления экситонов.
В этом смысле то, что продемонстрировала команда Массачусетского технологического института, было не столько конкурентоспособной технологией, сколько новым способом выхода за пределы существующих фотоэлектрических систем, говорит Джозеф Берри, старший научный сотрудник Национальной лаборатории возобновляемой энергии. «Что здесь круто, так это то, что этот подход принципиально отличается от традиционных фотоэлектрических систем», – говорит он. «Это идея, которая существует уже давно, но не была переведена ни в какое функциональное устройство».
Берри и его коллеги из NREL изучают другие способы повышения эффективности солнечных элементов без дополнительной сложности и стоимости многопереходных элементов. Одним из наиболее многообещающих направлений, исследуемых Берри, являются ячейки перовскита, в которых используются синтетические материалы, обладающие структурными свойствами, сходными с природным минералом перовскита. Первые солнечные элементы на основе перовскита были произведены только десять лет назад, но с тех пор они стали свидетелями самого быстрого повышения эффективности среди всех типов солнечных элементов на сегодняшний день.
По словам Берри, у перовскитных элементов есть ряд преимуществ по сравнению с традиционными кремниевыми солнечными элементами, в частности их устойчивость к дефектам материала. Всего несколько нежелательных частиц на кремниевом солнечном элементе могут сделать его бесполезным, но перовскитные материалы по-прежнему функционируют хорошо, даже если они не идеальны. Они также обрабатывают фотонную энергию более эффективно, чем кремний. Действительно, одна из главных причин, по которой кремний доминирует в технологии солнечных элементов, заключается не в том, что он является лучшим материалом для работы, а просто потому, что ученые так много знают об этом из-за его широкого использования в цифровых технологиях.
До сих пор ни один из этих солнечных элементов следующего поколения не нашел своего коммерческого продукта. Почти все солнечные панели, используемые в настоящее время, используют традиционные однослойные кремниевые элементы, которые, как было доказано, выдерживают эти элементы в течение десятилетий. Для внедрения солнечных батарей на основе перовскита в полевых условиях потребуется продемонстрировать, что они стабильны и могут работать в течение 20 и более лет. Берри говорит, что ряд компаний уже развернул небольшие панели из перовскита, которые, как он надеется, проложат путь для более широкого внедрения в будущем.
Заглядывая в будущее, Берри говорит, что вполне возможно, что разрабатываемая в Массачусетском технологическом институте технология деления экситонов может быть объединена с солнечными элементами на основе перовскита для повышения их эффективности. «Это не то или иное предложение», – говорит Берри, но первое деление экситонов должно доказать, что оно достаточно эффективно для реальных приложений. В конечном счете, получение большего количества солнечного света в сети, вероятно, потребует набора солнечных технологий, каждая из которых имеет свои преимущества.
