W każdym konwencjonalnym ogniwie słonecznym opartym na krzemie istnieje absolutna granica ogólnej wydajności. Jest to częściowo spowodowane tym, że każdy foton może wytrącić tylko pojedynczy elektron, nawet jeśli niesie dwukrotnie więcej energii niż jest to konieczne. Ale teraz naukowcy z Massachusetts Institute of Technology (MIT) oraz Princeton University zademonstrowali metodę uzyskiwania dwóch elektronów za pośrednictwem wysokoenergetycznych fotonów. Otwiera to drogę dla nowego rodzaju ogniw słonecznych z większą wydajnością niż to było możliwe do tej pory.

Zdjęcie ilustracyjne.

Konwencjonalne ogniwa krzemowe mają maksymalną wydajność wynoszącą około 29,1 proc. konwersji energii słonecznej. Nowe podejście, opracowane w ciągu ostatnich kilku lat przez naukowców z MIT oraz ich kolegów z innych instytucji, może przekroczyć ten limit, potencjalnie dodając kilka procent do tego maksimum wydajność.

Podstawowa koncepcja nowej technologii jest znana od dziesięcioleci i pierwsza demonstracja, że może działać, została przeprowadzona sześć lat temu przez naukowców, z których część jest współautorami obecnych badań. Ale przekształcenie tej metody w pełne, działające ogniwo słoneczne wymagało wielu lat ciężkiej pracy.

Wyniki badań zostały opisane w czasopiśmie „Nature”.

W oryginalnym badaniu sprzed sześciu lat wykazano możliwość wytwarzania dwóch elektronów z jednego fotonu, ale dokonano tego w organicznej komórce fotowoltaicznej, która jest mniej wydajna niż krzemowe ogniwo słoneczne. Okazało się, że przeniesienie dwóch elektronów z górnej warstwy zbierającej wykonanej z tetracenu (organiczny związek chemiczny zwany też naftacenem) do komórki krzemowej nie było proste.

– Podstawowa koncepcja została po raz pierwszy zaproponowana w latach 70. Przekształcenie tego pomysłu w praktyczne urządzenie zajęło tylko 40 lat – ironizował Troy Van Voorhis z MIT, który był częścią zespołu odpowiedzialnego za badania sprzed sześciu lat.

Kluczem do rozdzielenia energii jednego fotonu na dwa elektrony jest klasa materiałów, które posiadają stany wzbudzone zwane ekscytonami – powiedział profesor Marc Baldo z MIT. – W tych materiałach ekscytonowych pakiety energii rozprzestrzeniają się wokół siebie jak elektrony w obwodzie, ale o zupełnie innych właściwościach niż elektrony. Możesz ich użyć do zmiany energii, możesz przeciąć je na pół, możesz je połączyć – dodał.

Badacze testowali proces zwany rozszczepieniem singletu, w który energia światła zostaje podzielona na dwa niezależne pakiety energii. Materiał najpierw absorbuje foton, tworząc ekscyton, który szybko ulega rozszczepieniu na dwa stany wzbudzone, każdy o połowie energii stanu pierwotnego. Uczeni chcieli osiągnąć rozszczepienie singletu na krzemie, który nie jest materiałem ekscytonowym. To sprzężenie nigdy wcześniej nie zostało osiągnięte.

Jako etap pośredni zespół próbował połączyć energię z warstwy ekscytonowej w materiał zwany kropkami kwantowymi. To pokazało, że kluczem do tych transferów energii jest sama powierzchnia materiału. – Stało się jasne, że chemia powierzchni na krzemie będzie ważna – przyznał Van Voorhis. Skupienie się na chemii powierzchni okazało się tym, co pozwoliło zespołowi odnieść sukces tam, gdzie inni nie potrafili.

Osiągnięcie sukcesu umożliwiła cienka warstwa pośrednia wykonana z tlenoazotku hafnu. – Okazuje się, że ten maleńki pasek materiału na styku tych dwóch systemów – krzemowego ogniwa słonecznego i warstwy tetracenu z jego właściwościami ekscytonowymi – zakończył się zdefiniowaniem wszystkiego. Dlatego inni badacze nie potrafili uruchomić tego procesu

Warstwa pośrednia ma tylko kilka atomów grubości, ale działała jako pomost dla stanów wzbudzonych. To w końcu umożliwiło pojedynczym wysokoenergetycznym fotonom wyzwolenie dwóch elektronów wewnątrz komórki krzemowej w niebieskiej i zielonej części widma. Ogólnie rzecz biorąc, może to spowodować wzrost mocy wytwarzanej przez ogniwo słoneczne – z teoretycznego maksimum 29,1 proc., do maksymalnie około 35 proc.

Ogniwa krzemowe oparte na nowych badaniach nie osiągnęły jeszcze maksimum, ale kluczowy etap skutecznego połączenia dwóch materiałów został już udowodniony. – W tym procesie wciąż musimy optymalizować ogniwa krzemowe – przyznał Baldo. Po pierwsze, w nowym systemie komórki mogą być cieńsze niż obecnie stosowane. Należy również wykonać prace nad stabilizacją materiałów pod kątem trwałości. Na aplikacje komercyjne będziemy musieli poczekać prawdopodobnie jeszcze kilka lat.

Naukowcy pracują z różnymi materiałami oraz technologiami próbując zwiększyć wydajność paneli fotowoltaicznych. Dwa lata temu uczeni z Waszyngtonu poinformowali o skonstruowaniu ogniwa, które mogłoby przechwycić niemal połowę (44,5 proc.) energii światła słonecznego. Ogniwo wykorzystuje tzw. koncentratory CPV. To urządzenia optyczne mające na celu skoncentrowanie energii docierającej do ogniw fotowoltaicznych. Skupiają one promienie słoneczne na malutkim, mikroskopijnym ogniwie.

 

 

 

Źródło: MIT, DziennikNaukowy