«Темное состояние» обещает светлое будущее солнечной энергии

Эффективность обычных солнечных батарей может быть существенно увеличена, согласно результатам нового исследования механизмов преобразования солнечной энергии, проведенного химиком Сяо Ян Чжу из техасского университета в Остине

Команда Чжу открыла возможность удвоения числа электронов, получаемых из одного фотона солнечного света, благодаря использованию органического пластикового материала.

«Производство полупроводниковых солнечных батарей обладает рядом преимуществ, одно из которых - низкая стоимость, - сказал Чжу, профессор химии. - В сочетании с широкими возможностями молекулярного строения и синтеза наше открытие позволяет использовать новый отличный подход к преобразованию солнечной энергии, что приведет к гораздо более высокой эффективности».

Группа исследователей под руководством профессора Чжу опубликовала информацию о своем новаторском открытии 16 декабря в журнале Science.

Максимальная теоретическая эффективность кремниевой солнечной батареи из тех, что используются в настоящее время, составляет примерно 31 процент, потому что большая часть солнечной энергии, падающей на элемент, обладает слишком высоким значением для преобразования в пригодное для использования электричество. Эта энергия в виде «горячих электронов» вместо полезного действия теряется путем перехода в тепло. Отлавливая горячие электроны, возможным становится потенциально увеличить эффективность преобразования солнечной энергии в электричество до уровня в 66 процентов.

Команда Чжу ранее также доказала, что данные горячие электроны могут быть захвачены с использованием полупроводниковых нанокристаллов. Это исследование было опубликовано в журнале Science в 2010 году, но Чжу говорит, что практическая реализация жизнеспособной технологии, основанной на этом исследовании, весьма затруднительна.

«С одной стороны, - отметил Чжу. - Эти 66 процентов эффективности можно получить при условии падения сфокусированного солнечного света, а не простого, который обычно исходит непосредственно от Солнца и падает на солнечную батарею. Это создает дополнительные проблемы при проектировании и разработке нового материала или оборудования с его использованием».

Чтобы обойти эту проблему, команда Чжу нашла альтернативное решение. Она обнаружила, что фотон испускает темный квант «скрытой энергии», из которой впоследствии можно получить два электрона и использовать их для генерации большего количества энергии в полупроводниковом транзисторе на основе пентацена.

Электрон-дырка

Чжу отметил, что применение такого механизма могло бы увеличить эффективность солнечных батарей на 44 процента без необходимости фокусировки луча света, что, в свою очередь, открыло бы более широкие возможности использования солнечной технологии.

Команду исследователей возглавил Вай-лун Чан, доктор наук из группы Чжу, которому помогают доктора наук Мануэль Лиггз, Аскат Джайлаубеков, Лоурен Кааке и Луис Миайя-Авила. Исследование проводилось при поддержке Национального научного фонда и департамента энергии.

Наука за открытием

Генерация фотона в пентациновом полупроводнике создает электронное возбуждение, состоящее из электрона и дырки, которое перемещается по кристаллу, не перенося электрический заряд и массу.

Экситон с помощью квантовой механики преобразуется в «темное состояние» и называется мультиэкситоном.

Это «темное состояние» может быть самым эффективным источником двух электронов через передачу в электронный акцепторный материал, например фуллерен, который использовался в исследовании.

Используя «темное состояние» для производства двойного электрона, можно увеличить эффективность солнечной батареи на 44 процента.