Для более экологичной и устойчивой экономики создание более качественных и мощных солнечных батарей является ключевой целью исследований в секторе чистой энергии. Но в типичном солнечном элементе с одним переходом производительность ограничена так называемым пределом Шокли-Квиссера (теоретический предел максимальной эффективности, которой может достичь солнечный элемент). Эффективность определяет, сколько световой энергии (фотонов), поглощаемой солнечным элементом, может быть преобразовано в полезный электрический ток. Предел Шокли-Квиссера устанавливает максимально возможную эффективность в 33,7 процента для солнечных элементов на основе полупроводников.
На протяжении многих лет ученые исследовали и разрабатывали новые парадигмы конструкций и материалов солнечных элементов, пытаясь приблизиться к этому пределу эффективности и даже превзойти его. Они пока не увенчались успехом, но перспективы улучшаются благодаря недавним исследованиям.
Низкая эффективность солнечных батарей может быть связана со многими факторами. Одной из основных причин является термализация избыточной энергии. Во время этой термализации избыточная энергия, поглощаемая парой заряженных частиц (электронов и дырок), то есть больше энергии, чем требуется частице, чтобы стать подвижной внутри структуры материала и генерировать электричество, теряется в решетчатой структуре материала в виде тепла. . Исследования показывают, что в типичном полупроводниковом солнечном элементе с одним переходом почти 50 процентов поглощаемой солнечной энергии теряется из-за термализации. Если бы эту энергию можно было улавливать и преобразовывать в электричество, солнечная энергия стала бы чрезвычайно мощным устойчивым ресурсом.
Десятилетия назад двое ученых, Р. Т. Росс и А. Дж. Нозик, предложили новый тип солнечного элемента, названный солнечным элементом с горячим носителем (HCSC), в котором эта избыточная энергия может быть собрана до того, как она будет потеряна. В HCSC идея состоит в том, чтобы изолировать частицы, несущие избыточную энергию (горячие носители), и хранить их в структуре решетки , чтобы энергия не терялась. Последующие эксперименты доказали возможность изоляции горячих носителей. Но до сих пор не построено ни одного действующего HCSC.
Теперь отчет, опубликованный в Journal of Photonics for Energy (JPE) исследователями из Университета штата Аризона и Университета Оклахомы в США под руководством Дэвида К. Ферри, представляет множество условий, которые должны быть выполнены для того, чтобы HCSC мог работать. реализоваться и исследует пути выполнения этих условий.
По словам главного редактора JPE Шона Шахина, «документ раскрывает новый путь к реализации солнечных элементов с горячими носителями, которые могут превысить типичный предел эффективности для солнечных элементов. Предлагаемый путь включает использование спутниковых долин в зонной структуре полупроводников. , где можно временно хранить горячие носители без потери энергии.Хотя это не дает полного решения проблемы, оно предлагает другой способ понимания и проектирования солнечных элементов с горячими носителями, который может побудить других исследователей исследовать конкретные структуры устройств на основе концепция.»
Полупроводники проводят электричество, когда заряженная частица на более низком уровне энергии, называемой валентной зоной, получает достаточно энергии, чтобы перепрыгнуть через энергетический зазор и достичь высокого энергетического уровня, известного как зона проводимости, где она может свободно двигаться. Предлагаемый новый подход включает изоляцию горячих носителей в пределах более высоких энергетических долин — или локальных максимумов — среди зон проводимости. Ферри объясняет: «Фотогальванический подход долины помогает уменьшить потери тепла за счет преобразования кинетической энергии частицы в потенциальную энергию , то есть изменение формы энергии с той, которая может быть потеряна, на ту, которая сохраняется».
Ученые смогли объяснить этот подход в полупроводниковом материале на основе арсенида индия-галлия и алюминия (InGaAs/InAlAs), который чувствителен к свету и, следовательно, является потенциальным материалом для солнечных элементов.
В документе представлена необходимая основа для будущих исследований по повышению эффективности солнечных элементов, открывающих двери для потенциального третьего поколения солнечных элементов, которые работают совершенно иначе, чем существующие и могут выйти за пределы Шокли-Квиссера, реализуя мечту Росса и Нозик.
Экономика, работающая на солнечной энергии, уже на подходе, с потенциально более светлым будущим для всех нас.
