«Производство полупроводниковых
солнечных батарей обладает рядом преимуществ, одно из которых - низкая
стоимость, - сказал Чжу, профессор химии. - В сочетании с широкими
возможностями молекулярного строения и синтеза наше открытие позволяет
использовать новый отличный подход к преобразованию солнечной энергии,
что приведет к гораздо более высокой эффективности».
Группа исследователей под руководством профессора Чжу опубликовала
информацию о своем новаторском открытии 16 декабря в журнале Science.
Максимальная теоретическая эффективность кремниевой солнечной
батареи из тех, что используются в настоящее время, составляет примерно
31 процент, потому что большая часть солнечной энергии, падающей на
элемент, обладает слишком высоким значением для преобразования в
пригодное для использования электричество. Эта энергия в виде «горячих
электронов» вместо полезного действия теряется путем перехода в тепло.
Отлавливая горячие электроны, возможным становится потенциально
увеличить эффективность преобразования солнечной энергии в электричество
до уровня в 66 процентов.
Команда Чжу ранее также доказала, что данные горячие электроны могут
быть захвачены с использованием полупроводниковых нанокристаллов. Это
исследование было опубликовано в журнале Science в 2010 году, но Чжу
говорит, что практическая реализация жизнеспособной технологии,
основанной на этом исследовании, весьма затруднительна.
«С одной стороны, - отметил Чжу. - Эти 66 процентов эффективности можно
получить при условии падения сфокусированного солнечного света, а не
простого, который обычно исходит непосредственно от Солнца и падает на
солнечную батарею. Это создает дополнительные проблемы при
проектировании и разработке нового материала или оборудования с его
использованием».
Чтобы обойти эту проблему, команда Чжу нашла альтернативное решение.
Она обнаружила, что фотон испускает темный квант «скрытой энергии», из
которой впоследствии можно получить два электрона и использовать их для
генерации большего количества энергии в полупроводниковом транзисторе на
основе пентацена.
Электрон-дырка
Чжу отметил, что применение такого механизма могло бы увеличить
эффективность солнечных батарей на 44 процента без необходимости
фокусировки луча света, что, в свою очередь, открыло бы более широкие
возможности использования солнечной технологии.
Команду исследователей возглавил Вай-лун Чан, доктор наук из группы
Чжу, которому помогают доктора наук Мануэль Лиггз, Аскат Джайлаубеков,
Лоурен Кааке и Луис Миайя-Авила. Исследование проводилось при поддержке
Национального научного фонда и департамента энергии.
Наука за открытием
Генерация фотона в пентациновом полупроводнике создает электронное
возбуждение, состоящее из электрона и дырки, которое перемещается по
кристаллу, не перенося электрический заряд и массу.
Экситон с помощью квантовой механики преобразуется в «темное состояние» и называется мультиэкситоном.
Это «темное состояние» может быть самым эффективным источником двух
электронов через передачу в электронный акцепторный материал, например
фуллерен, который использовался в исследовании.
Используя «темное состояние» для производства двойного электрона, можно
увеличить эффективность солнечной батареи на 44 процента.
| 
