Квантовая эффективность солнечной батареи впервые превысила 100%

Опытный образец преобразователя поставил рекорд по одному из важнейших параметров фотоэлектрических ячеек. По мнению разработчиков, эксперимент показывает путь создания солнечных батарей следующего поколения.

Исследователи из американской Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) построили выдающуюся солнечную батарею (СБ) на базе квантовых точек – полупроводниковых кристаллов размером в несколько нанометров.

Разрез ячейки (слои перечислены в тексте) и вольт-амперные характеристики ряда опытных образцов, несколько отличающихся по составу (иллюстрация Octavi E. Semonin, Matthew C. Beard et al./ Science).

Опытное устройство было составлено из стекла с просветляющим покрытием, тонкого слоя прозрачного проводника, наноструктурированных слоёв оксида цинка и слоя квантовых точек из селенида свинца, дополненного толикой этандитиола и гидразина. Завершало бутерброд тонкое золотое покрытие в качестве верхнего электрода.

Внешняя и внутренняя квантовая эффективность (QE ) протестированной СБ составили 114% и 130% соответственно.

Поясним, QE измеряется для определённой частоты падающего света. Внешняя квантовая эффективность определяется как отношение числа генерируемых пар электрон-дырка (практически – фототока на внешних выводах) к числу падающих на СБ фотонов. Внутренняя квантовая эффективность – это отношение числа электронов к числу поглощённых фотонов.

Поскольку часть падающих на панель фотонов отражается обратно либо поглощается без генерации носителей заряда, внешняя эффективность оказывается ниже внутренней.

Параметр QE ещё не является общим КПД батареи (отношением выходной электрической мощности к мощности падающего излучения), но он очень важен для итогового результата. Чем выше QE в возможно большем диапазоне частот и чем ниже внутри материала рекомбинация только что созданных зарядов, тем выше суммарный КПД ячейки.

До сих пор ни одна солнечная батарея не показывала внешнюю квантовую эффективность выше 100% ни на одной частоте падающего света. Так что в NREL совершили настоящий прорыв, добившись того, что каждый упавший на батарею фотон создавал на выходе больше одной пары электрон-дырка.

Ключом к успеху стал процесс, называемый множественной генерацией экситонов (MEG). До сих пор учёные демонстрировали его в изолированных квантовых точках или их группах, а не в полноценной батарее, выдающей электричество.

Схема процесса MEG в квантовой точке. В данном примере один фотон с энергией hν произвёл три пары электрон-дырка (e^- — h⁺) (иллюстрация NREL).

MEG зависит от параметров материала, в частности, от соотношения ширины запрещённой зоны в полупроводнике и энергии падающего фотона. При этом крайне важным оказывается именно размер кристалла.

Квантовые точки, ограничивая носители заряда в пределах крошечного объёма, могут собирать избыточную энергию, которая иначе терялась бы в виде тепла и, следовательно, способны значительно увеличить эффективность преобразования фотонов, передаёт PhysOrg.com.

Общий КПД опытной ячейки от NREL в 4,5% не кажется высоким. Но строение данной батареи не было оптимизировано для сбора и передачи фототока, главное было показать рекордную квантовую эффективность выбранного сочетания материалов.

Солнечные батареи, эксплуатирующие эффект MEG, учёные относят к третьему поколению. Все известные преобразователи солнечной энергии — на основе кремния, теллурида кадмия, селенида меди индия галлия, и даже перспективные многопереходные ячейки с элементами, взятыми из третьего, четвёртого и пятого столбцов Периодической таблицы – это всё СБ первого и второго поколений, утверждает лаборатория.

(Детали новой работы можно найти в статье в Science.)