Синглетное деление способно существенно усилить солнечные элементы

Четверг, 11 Июля 2019
Синглетное деление способно существенно усилить солнечные элементы

Люди на протяжении тысячелетий использовали силу Солнца. Общее количество солнечной энергии, получаемой на Земле, составляет около 10 в 17 степени Вт (100000000000000000), тогда как глобальная потребность в электроэнергии составляет около 10 миллиардов Вт.

Хотя солнечные элементы могут показаться распространненными, только 1,3% электроэнергии, произведенной в США, поступает от этих устройств. Таким образом, индустрия солнечных батарей все еще имеет огромные возможности для роста, чтобы обеспечить чистую и возобновляемую энергию для населения мира.

Повышения эффективности солнечных элементов без существенных сложностей или затрат трудно достичь. Кремниевые солнечные элементы в настоящее время доминируют на рынке, но они имеют ряд изъянов. Наиболее явный недостаток, описанный в 1961 году, заключается в том, что высокоэнергетические фотоны генерируют нежелательное тепло. Поэтому обычные кремниевые солнечные элементы ограничены преобразованием только 30% падающей солнечной энергии в электричество в идеальном устройстве. Стратегии преодоления этого барьера включают в себя последовательную установку различных солнечных элементов или поиск путей разделения энергии фотонов перед сбором.

Ученые разработали подход, при котором молекулярный слой расщепляет высокоэнергетическое возбуждение, которое генерируется путем поглощения высокоэнергетического фотона на два низкоэнергетических возбуждения. Эти возбуждения впоследствии передаются через тщательно разработанный интерфейс в кремниевый солнечный элемент, где они преобразуются в электрический ток. Эта стратегия не предусматривает никаких дополнительных электрических контактов или модификации работы солнечного элемента. Таким образом, можно было бы разработать фотопанели, чья эффективность в 1,4 раз превышала бы эффективность современных устройств.

Процесс, посредством которого пара низкоэнергетических возбуждений формируется из одного поглощенного фотона, называется синглетным делением.  Архетипический материал для обеспечения синглетного деления называется кристаллическим тетраценом. Этот материал расщепляет (высокоэнергетический) синий или зеленый свет на два возбуждения, которые имеют энергию, подобную энергии возбуждения кремния с наименьшей энергией. Такое согласование энергии делает тетрацен и кремний идеальными потенциальными партнерами для переноса продуктов синглетного деления. 

При синглетном делении высокоэнергетическое возбуждение представляет собой синглетный экситон, связанное состояние электрона и электронную дыру, которая имеет нулевой магнитный момент (то есть нулевой спин). Низкоэнергетические возбуждения являются триплетными экситонами - электронно-дырочными парами, которые имеют спин 1. В отличие от своих синглетных аналогов, триплетные экситоны не могут вернуться в основное состояние, испуская излучение, из-за квантово-механических правил отбора спинов. Это ограничение продлевает срок их службы, но препятствует общему механизму переноса энергии, который в противном случае позволил бы перенос возбуждений на большие расстояния, например, через толстый пассивирующий слой (инертный материал, который защищает поверхность солнечного элемента от загрязнения).

В 1979 году физик Дэвид Декстер признал потенциальное использование тетраценового слоя поверх кремниевого солнечного элемента. Он предполагал, что два триплетных экситона, появившиеся в результате синглетного деления, могут быть эффективно перенесены в солнечный элемент с помощью четкого механизма, который является общим для этих возбуждений, тем самым удвоив электрический ток, создаваемый устройством для поглощения синего и зеленого света. Однако этот механизм имеет небольшой радиус действия и может эффективно действовать только через ультратонкие барьеры. Такие барьеры часто недостаточны для пассивации поверхностей полупроводников, таких как кремний, что приводит к потерям мощности. Хотя оптические свойства тетрацена идеальны для этого процесса передачи энергии, его плохие электрические свойства значительно усложняют его прямую интеграцию в высокоэффективные солнечные элементы.

Ученые же в новом исследовании установили, что из оксинитрида гафния может быть сделан исключительно тонкий пассивирующий слой. Этот материал может быть нанесен таким образом, что его толщина контролируется с высокой точностью и может защитить поверхность кремния при толщине всего лишь 0,8 нанометра. Обычные солнечные элементы используют противоположные электрические контакты в верхней и нижней части светопоглощающего полупроводника для извлечения электронов и дыр, которые дают электрический ток. В отличие от этого, некоторые высокоэффективные солнечные элементы спроектированы с разнесенными контактами обоих типов, но на задней панели устройства. Такая конструкция задней контактной ячейки в сочетании с пассивирующим слоем является ключевой для солнечного элемента с синглетным делением.

Когда тетраценовый слой поверх солнечного элемента возбуждается синим или зеленым светом, образуются триплетные экситоны. Эти экситоны переносятся через оксинитрид гафния в кремниевый солнечный элемент без необходимости дополнительных электрических контактов. Выход экситонов, который определяется как среднее число экситонов, перенесенных в солнечный элемент на фотон, составляет около 1,3. В дополнение к выходу, превышающему 1, дальнейшие доказательства переноса триплет-экситона заключаются в эффектах магнитного поля, которые имеют отличительную сигнатуру для триплетных экситонов, появившихся в результате синглетного деления.

После возбуждения тетрацена столкновения между электронами и дырами в слое кремния приводят к излучению света. Моделирование этого света показывает, что 76% триплетных экситонов переносятся через пассивирующий слой, по сравнению с 56% синглетных экситонов. Синглетные экситоны не выгодны, потому что они представляют только одну электронно-дырочную пару на фотон. Поэтому уменьшение их влияния на солнечный элемент за счет увеличения скорости синглетного деления в тетрацене и, следовательно, доли триплетов на границе раздела, является основной целью на ближайшее будущее.

На данном этапе солнечная батарея ученых относительно неэффективна. Оксинитрид гафния пассивирует поверхность кремния, но первые несколько инжектированных электронов и дыр сначала заполняют дефекты на поверхности кремния, прежде чем попасть в солнечный элемент. Кроме того, механизм триплет-экситонного переноса и то, как его можно ускорить, в настоящее время плохо описывается теорией.

Следите за новостями в социальных сетях:

Спасибо, я уже в группе