Японские ученые из Университета Кюсю совместно с коллегами из Университета Иоганна Гутенберга в Германии представили прорывную технологию, которая может существенно изменить представления об эффективности солнечных панелей. Впервые удалось достичь квантового выхода, эквивалентного 130% — показателя, который превышает традиционные физические границы для фотоэлектрических элементов.
Об этом сообщает ProIT
Как работает новая технология солнечных элементов
Современные солнечные панели на основе кремния преобразуют примерно 20% солнечного света в электрическую энергию. Основное ограничение эффективности определяет предел Шокли-Квайссера: для однопереходных элементов он составляет около 33%. При стандартных условиях один фотон образует один экситон — носитель заряда, пригодный для создания электрического тока.
Японские ученые использовали молибденовый металлический комплекс, который в паре с материалом для синглетного расщепления позволяет одному высокоэнергетическому фотону порождать сразу два низкоэнергетических экситона. Таким образом, количество носителей заряда, которые собираются, превышает количество поглощенных фотонов, то есть квантовый выход превышает 100%.
«У нас есть две основные стратегии для преодоления этой границы. Одна — конвертировать низкоэнергетические инфракрасные фотоны в более энергетические видимые фотоны. Другая, которую мы исследуем здесь, — использовать синглетное расщепление для генерации двух экситонов из одного фотона-экситона”, — объясняет доцент Ёити Сасаки с факультета инженерии Университета Кюсю.
Почему это не «вечный двигатель» и чего ожидать от инновации
Технология не нарушает закон сохранения энергии, ведь 130% — это не энергетическая эффективность, а количество носителей заряда на фотон. Благодаря специализированному молибденовому эмиттеру «переворот спина» новая система эффективно захватывает триплетные экситоны, которые ранее терялись во время процесса синглетного расщепления. Это позволяет повысить квантовый выход до 130% — то есть в среднем 1,3 экситона на каждый фотон.
Этот подход помогает минимизировать потери энергии, которые обычно проявляются в виде тепла при взаимодействии с высокоэнергетическими фотонами, и открывает путь к созданию солнечных элементов с теоретической эффективностью в 35–45% при идеальных условиях. Стоит отметить, что молибден — это относительно доступный и недорогой металл, поэтому технология имеет высокий потенциал внедрения в промышленности.
Следует отметить, что эксперименты пока проводились на молекулярном уровне в растворе. До внедрения инновационной технологии в твердотельные солнечные элементы еще предстоит пройти ряд этапов. Однако исследователи уверены: разработка открывает новые возможности не только для солнечной энергетики, но и для создания светодиодов и квантовых устройств нового поколения.