Недавняя работа, опубликованная в журнале Journal of Photonics for Energy, открывает новые горизонты для разработки более эффективных солнечных элементов с горячими носителями, которые могут преодолеть предел эффективности Шокли-Квайссера. Учёные исследовали состояние и их влияние на туннелирование электронов, используя эмпирический метод псевдопотенциала, что позволяет глубже понять процесс туннелирования и потенциально создать более эффективные солнечные элементы.
Предел эффективности Шокли-Квайссера — это теоретическая граница эффективности солнечных элементов, составляющая около 33,7% для устройств, работающих при комнатной температуре. Он определяет максимальную эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую и является фундаментальным ограничением для традиционных технологий, но может быть улучшен благодаря новым материалам и методам.
Концепция солнечных элементов с горячим носителем была предложена несколько десятилетий назад и долгое время считалась перспективным технологическим прорывом в солнечной энергетике. Однако практическая реализация сталкивалась с серьёзными трудностями, особенно в вопросе быстрого извлечения горячих электронов через материальные интерфейсы.
Недавние исследования сосредоточились на использовании дополнительных энергетических уровней в зоне проводимости для временного хранения горячих электронов перед их сбором. Однако эксперименты выявили паразитарный барьер на гетероструктурном интерфейсе между поглощающим и экстракционным слоями, что осложняет передачу электронов. Этот барьер усложняет процесс, который происходит в реальном пространстве, а не в импульсном. Когда энергетические зоны двух материалов неидеально выровнены, электроны могут обойти этот барьер посредством туннелирования, процесс которого зависит от сложных зонных структур.
Учёные исследовали эти состояния и их влияние на туннелирование электронов, используя метод псевдопотенциала, который рассчитывает энергетические зоны в импульсном пространстве и сопоставляет их с экспериментальными данными по критическим точкам. Этот подход позволяет глубже понять физические процессы, которые обеспечивают извлечение горячих носителей между состояниями долин носителей и через гетероинтерфейсы.
Результаты исследования показали, что коэффициент туннелирования, характеризующий лёгкость прохождения электронов через барьер, экспоненциально велик в структурах индий-алюминий-арсенид (InAlAs) и индий-галлий-арсенид (InGaAs) из-за несоответствия энергетических зон этих материалов. Однако ситуация значительно улучшается в системе с материалами AlGaAs и арсенид галлия (GaAs), где алюминиевый состав в барьере приводит к вырождению дополнительных энергетических уровней с более низкой энергией.
Коэффициент туннелирования для переноса электронов между AlGaAs и GaAs может достигать 0,5 или даже 0,88 в зависимости от конкретного состава AlGaAs. Это предполагает значительно более эффективный процесс переноса и возможность использования фотоэлектрических элементов долин, что выводит солнечные элементы за текущие ограничения одной запрещенной зоны.
В транзисторах с высокой подвижностью электронов, изготовленных из AlGaAs/GaAs, электроны обычно перемещаются из AlGaAs в GaAs. Однако горячие носители в GaAs могут получить достаточную энергию для перехода обратно в AlGaAs, что называется переходом в реальном пространстве. Хотя это обычно нежелательно в транзисторах, для фотоэлектрических элементов это критически важно, так как способствует эффективной передаче и хранению горячих носителей.
По словам исследователей, «результаты этого исследования могут проложить путь к созданию более эффективных солнечных элементов с горячими носителями, которые смогут преодолеть предел эффективности Шокли-Квайссера».
Источник: iXBT
