Исследователи HZB повышают эффективность кремниевых солнечных элементов

Принцип кремниевого синглетного деления солнечного элемента со встроенными органическими кристаллами
Авторское право: M. Künsting / HZB

Эффективность солнечного элемента является одним из наиболее важных параметров. Он указывает, какой процент солнечной энергии, излучаемой в клетку, преобразуется в электрическую энергию. Теоретический предел для кремниевых солнечных элементов составляет 29,3 процента из-за физических свойств материала. В журнале Materials Horizons исследователи из Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) и зарубежные коллеги описывают, как этот предел может быть отменен. Хитрость: они включают слои органических молекул в солнечную батарею. Эти слои используют квантово-механический процесс, известный как деление синглетных экситонов, для разделения определенного энергетического света (зеленого и синего фотонов) таким образом, что электрический ток солнечного элемента может удвоиться в этом диапазоне энергий.

Принцип работы солнечного элемента прост: на каждую падающую легкую частицу (фотон) генерируется пара носителей заряда (экситон), состоящая из отрицательного и положительного носителей заряда (электрон и дырка). Эти два противоположных заряда могут свободно перемещаться в полупроводнике. Когда они достигают селективных по заряду электрических контактов, один пропускает только положительные заряды, другой - только отрицательные. Поэтому генерируется постоянный электрический ток, который может использоваться внешним потребителем.

Команда исследователей HZB, профессора Клауса Липса, предлагает решение для создания солнечного элемента таким образом, чтобы определенные фотоны высокой энергии использовались для генерации двух пар носителей заряда одновременно. Эффект, который они использовали, присутствует в некоторых органических кристаллах и известен как «деление синглетных экситонов» (SF). Для того чтобы этот эффект мультипликатора был возможен, пары носителей заряда должны удовлетворять определенным квантовым физическим условиям: все их спины должны быть параллельны, то есть пары носителей заряда, называемые триплетным экситоном.

Эти триплетные экситоны довольно долговечны и очень прочно связаны друг с другом. Задача состояла в том, чтобы разделить их на границе с кремнием. Это освобождает положительные и отрицательные носители заряда, позволяя им вносить вклад в ток солнечного элемента.

В новаторском эксперименте исследователи показали, что расщепление возможно. «Успешно внедрив эту концепцию, мы можем создать кремниевый солнечный элемент с максимальной квантовой эффективностью 200 процентов (удвоить нормальный предел) и теоретическим пределом эффективности около 40 процентов», - говорит доктор Роуэн Маккуин, австралийский исследователь, который присоединился к команде HZB два года назад и реализует солнечную батарею умножителя несущей заряда в HZB.

В недавно опубликованной работе исследователи HZB интегрировали слой кремниевых тетраценовых кристаллов, способных к делению, толщиной 100 нанометров, в поверхность кремниевого солнечного элемента. С помощью спектроскопических исследований были обнаружены триплетные пары носителей заряда в тонком тетраценовом слое, что является признаком синглетного деления. «Задача состояла в том, чтобы разделить триплетные пары на границе раздела кремния без существенного нарушения тока, протекающего через кремниевый солнечный элемент», - объясняет Клаус Липс, поскольку плохо проводящий органический слой граничит с хорошо проводящим слоем кремния, что может сильно затруднить текущий поток.

Расщепление успешно осуществляется с помощью дополнительно введенного органического проводника, называемого PEDOT: PSS, что означает, что необходим еще один органический слой. «Интерфейсы играют особую роль в этой структуре», - говорит доктор МакКуин, поэтому исследователи использовали рентгеновский свет от синхротрона BESSY II @ HZB для изучения свойств интерфейса. Затем они изготовили серию работающих тетрацен-кремниевых солнечных элементов. Ключевым открытием было то, что добавление органического слоя не мешало электрическим характеристикам кремниевого элемента, что имеет решающее значение для создания эффективного устройства.

Электрические характеристики первого кремниевого синглетного солнечного элемента показали, что тетрацен поглощает сине-зеленую часть света, в то время как низкоэнергетические фотоны поглощаются кремнием. Используя моделирование, исследователи смогли оценить, что в настоящее время около 5-10 процентов триплетных пар, генерируемых в тетраценовом слое, могут быть добавлены к выходной мощности.

Для Клауса Липса это большой успех, но он уже рассматривает последующие эксперименты: «С этой структурой солнечных элементов мы показали, что подход работает в принципе, и создали дизайн рабочей лошадки. И мы уже знаем, что мы должны сделать увеличить выход выделенных триплетных экситонов до 200 процентов ».

Дальнейшая информация:

Гонка за лучшую эффективность в кремниевой технологии

Несмотря на множество новых разработок, кремний в настоящее время является предпочтительным материалом в производстве солнечных элементов. Технологии производства являются зрелыми, лучшие солнечные элементы сегодня достигают эффективности около 25 процентов. Теоретический максимальный КПД полупроводника в 29,3 процента практически достигнут. Исследовательские группы по всему миру не хотят соглашаться на это. Они ищут разные способы увеличить лимит.

Большая часть потерь происходит из-за преобразования некоторой энергии падающего света в тепло и, таким образом, его потери. Только часть светового спектра может быть использована для выработки электроэнергии. Поэтому часто используемым подходом для снижения тепловых потерь является так называемый тандемный солнечный элемент. Он сочетает в себе кремний с дополнительным материалом, который может использовать другие области светового спектра, чем кремний. Многообещающие в настоящее время кремниевые перовскитные тандемы, который HZB также исследует.

Например, посмотрите этот отчет:
Perovskite - сотрудничество по исследованию кремниевых солнечных элементов достигает 25,2%

Клаус Липс и его команда идут разными путями и хотят работать, не используя новый материал для солнечных батарей. Несколько лет назад они показали эксперименты на так называемых фотохимическое преобразование , Вот два фотона с низкой энергией, которые фактически остаются неэффективными в солнечном элементе, связанные в фотон с высокой энергией, который затем вносит вклад в выходную мощность.
Подход с синглетным делением, представленный здесь, является новым, многообещающим методом квантовой физики, который может дать фотоэлектрической технологии новый импульс.

Опубликовано в Materials Horizon (2018): Кристаллические кремниевые солнечные элементы с тетраценовыми прослойками: путь к устройствам с гетеропереходом с синглетным кремнием

DOI: 10.1039 / c8mh00853a

IH

• НОВОСТИ 16.05.2019

  ЗАПУСК EPKI: Европейская инициатива по перовскитам для развития солнечной технологии на основе перовскитов

  За последнее десятилетие солнечные элементы на основе перовскита достигли огромных успехов, достигнув в лабораторном масштабе КПД 24,2% в начале 2019 года в однопереходной архитектуре и до 28% в тандеме (перовскит, связанный с кристаллическим кремнием), превратив его в наиболее быстро прогрессирующий солнечный технология на сегодняшний день. В рамках проекта HySPRINT и набора молодых талантливых ученых компания Helmholtz-Zentrum Berlin создала значительный исследовательский потенциал в области перовскитных материалов в последние годы и участвует в Европейской инициативе по перовскитам EPKI, которая была запущена в настоящее время. [...]

  
  

• НОВОСТИ 15.05.2019

  HZB на INTERSOLAR в Мюнхене

  Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) представит себя с 15 по 17 мая на выставке INTERSOLAR в Мюнхене, крупнейшей в мире солнечной выставке. HZB является одним из ведущих мировых исследовательских центров в области солнечной энергии и представляет последние разработки в области фотоэлектрической и солнечной энергии. HZB предлагает широкий спектр возможностей сотрудничества для компаний - от контрактных исследований до совместных исследовательских проектов. [...]

  
  

• НОВОСТИ 14.05.2019

  Бернд Станновски - профессор Университета прикладных наук Beuth в Берлине

  Профессор д-р Бернд Станновски получил и принял вызов на совместную S-профессорскую работу по «Фотовольтаике» в Университете прикладных наук Beuth в Берлине. Физик возглавляет рабочую группу "Кремниевая фотогальваника" в Компетентном центре тонких пленок и нанотехнологий для фотогальваники в Берлине (PVcomB) HZB. [...]