Солнечные батареи могут почернеть

Хотя рекордные по эффективности солнечные батареи могут преобразовывать до трёх четвертей энергии видимого спектра в электричество, ИК-излучение для них слишком слабо. Его волны не возбуждают электроны в атомах кремния — а значит, примерно четверть энергии светила, приходящейся на эту часть спектра, пропадает.

Исследователи из Института телекоммуникаций Общества Фраунгофера (ФРГ) попытались найти метод, позволяющий использовать кремниевые фотоэлементы для извлечения энергии из ИК-излучения. Для этого поверхность фотоэлементов допировалась серой. Цвет, конечно, при этом пострадал: допированный кремний стал чёрным. Зато перспективы у нового типа фотоэлементов могут оказаться самыми светлыми.

Для того чтобы сера начала эффективно проникать в кремний, поверхность последнего поместили в насыщенную серой атмосферу и подвергли обстрелу фемтосекундными лазерными импульсами.

После обработки фемтосекундными лазерными импульсами поверхность фотоэлемента становится неоднородной: конусообразные возвышения снижают вероятность отражения света и потери его энергии. (Иллюстрация HHI.)

Механизм, при помощи которого серное допирование позволяет кремнию извлекать энергию из ИК-излучения, одновременно прост и коварен. 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 поработать на благо генерации.

Однако такая же «двухходовка» справедлива и в противоположном направлении. Электроны от кремния могут перейти к сере, где будут потеряны для энергетики. Долгое время это снижало эффективность чёрного кремния и не позволяло говорить о его решительном преимуществе над обычным.

Теперь, кажется, немецким исследователям удалось справиться с этой проблемой.

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. По словам авторов работы, это позволило удвоить коэффициент полезного действия по сравнению с ранними образцами чёрных фотоэлементов. Хотя пока рано говорить о производительности стандартных тандемных модулей на базе обычного и чёрного материала, исследователи всё же надеются превысить нынешний уровень высокопроизводительных кремниевых фотоэлементов (17%), добившись по меньшей мере КПД в 18%.

Важным, кстати, будет не только повышение формальной эффективности, но и снижение перегрева фотоэлементов. В обычных условиях нагрев выше 25 ˚С ведёт к падению КПД до полупроцента на градус, что в действительно жаркие дни радикально влияет на эффективность батарей. Если же чёрный кремний будет преобразовывать ИК-излучение в электричество, скорость нагрева и его, и обычного кремния, работающего с ним в паре, будет куда ниже, а падение КПД сведётся к минимуму.

Подготовлено по материалам Института телекоммуникаций Общества Фраунгофера.