Ученые нашли способ преодолеть фундаментальный предел эффективности солнечных батарей

Исследователям удалось найти решение одной из фундаментальных проблем фотовольтаики — предела Шокли — Квайссера. Этот теоретический барьер, ограничивающий максимальный КПД солнечных элементов, считался незыблемым на протяжении более чем 60 лет.

Принцип работы стандартных солнечных панелей основан на полупроводниковых структурах, трансформирующих солнечное излучение в ток. Однако даже при идеальных условиях текущие технологии ограничены: теоретический максимум составляет около 33%, тогда как КПД серийных моделей редко превышает 25%.

Такое ограничение обусловлено законами термодинамики и физикой самого света. Солнечный спектр неоднороден, а фотоэлементы способны «утилизировать» лишь узкий диапазон энергий. В итоге фотоны с низкой энергией проходят сквозь панель без взаимодействия, а высокоэнергетические частицы превращают свои излишки в бесполезное тепловое излучение.

Международная группа ученых из Германии и Японии разработала метод утилизации спектральных участков, которые ранее уходили в «потери». Основное внимание было уделено высокоэнергетическому синему спектру, который традиционные системы преобразовывают крайне неэффективно.

Экспериментально доказано, что при взаимодействии излучения со специализированным соединением энергия единичного фотона может расщепляться на два полезных носителя заряда. Это позволило добиться квантового выхода на уровне 130%: на каждые 100 падающих фотонов генерируется 130 заряженных частиц.

Фундаментом технологии стал процесс синглетного деления, при котором одно возбужденное состояние трансформируется в два, увеличивая плотность носителей заряда без необходимости поглощения дополнительных фотонов.

Для достижения этих результатов ученые использовали композит из органической молекулы тетрацена и молибдена. Несмотря на то что тетрацен уже рассматривался в качестве кандидата для работы с высокоэнергетическим светом, его широкому внедрению препятствовала нестабильность. Интеграция молибдена успешно решила проблему деградации материала, обеспечив необходимую долговечность системы.

Ёити Сасаки, химик из Университета Кюсю, подчеркнул, что существует два пути обхода предела Шокли — Квайссера: ап-конверсия низкоэнергетических инфракрасных фотонов и использование синглетного деления для «удвоения» зарядов из одного фотона, что и было успешно реализовано в данном проекте.

На текущем этапе исследование носит лабораторный характер. Хотя полученные показатели доказывают возможность преодоления фундаментального барьера, путь к массовому коммерческому производству еще требует детальной проработки.

Тем не менее, это достижение знаменует собой важный сдвиг в фотовольтаике. Масштабирование данной технологии способно кардинально повысить производительность солнечных электростанций, не требуя при этом радикальной переработки существующей инфраструктуры производства фотоэлементов.

Источник: iXBT