Исследователи из Центра Гельмгольца в Берлине (HZB) нашли способ увеличить предел эффективности кремниевых фотоэлементов. Они описывают этот метод вместе с международными коллегами в специализированном журнале Materials Horizon. Из-за физических свойств материала теоретический предел эффективности кремния составляет 29,3%. Однако, по мнению исследователей, теоретически максимальная эффективность кремниевого фотоэлемента может быть увеличена примерно до 40% — с помощью органических слоев, встроенных в фотоэлемент.
Обычно один фотон генерирует в фотоэлементе только одну пару носителей заряда (экситон). Как сообщает команда, возглавляемая исследователем из Центра Гельмгольца в Берлине Клаусом Липсом, им удалось создать такой фотоэлемент, в котором фотоны из определенного светового спектра могут генерировать сразу две пары носителей заряда. Для этого они использовали эффект, называемый синглетным экситонным делением (SF), который происходит в некоторых органических молекулярных кристаллах и становится эффективным, когда все импульсы вращения вокруг собственной оси пар носителей заряда выровнены параллельно и находятся в так называемом триплетном состоянии. Эти триплетные экситоны, по мнению исследователей, довольно долговечны и очень сильно связаны друг с другом. Трудность поэтому состоит в том, чтобы разорвать связи триплетных пар из органического материала на границе с кремнием так, чтобы освобожденные положительные и отрицательные носители заряда могли вносить свой вклад в производство электроэнергии в фотоэлементе.
Как сообщают исследователи далее, при проведении эксперимента они смогли продемонстрировать, что разделение триплетных пар возможно, и что квантовый выход на фотон можно вырасти до 200%. Таким образом, теоретическая максимальная эффективность кремниевого фотоэлемента может быть увеличена примерно до 40%.
В своем эксперименте исследователи интегрировали в поверхность кремниевого фотоэлемента органический слой кристаллов тетрацена толщиной 100 нм и доказали образование триплетных пар носителей заряда в слое тетрацена с помощью спектроскопических исследований. «Задача заключалась в том, что интегрировать слой тетрацена в фотоэлемент таким образом, чтобы не создавать значительные препятствия для прохождения тока», — говорит Клаус Липс. Разделение связей в парах было достигнуто с помощью дополнительно введенного органического проводника PEDOT: PSS или полиполистиролсульфоната, который представляет собой полимерную смесь двух иономеров.
Результаты измерений первого кремниевого фотоэлемента с дополнительным органическим слоем ясно показывают, что тетрацен поглощает сине-зеленую часть света, а кремний поглощает фотоны с более низкой энергией. Основываясь на моделировании, исследователи предполагают, что к производству солнечной электроэнергии подключились дополнительно около 5-10% генерируемых триплетных пар. «Дополнительный ток, создаваемый органическим слоем, не очень высок в представленном в настоящее время эксперименте,» — говорит Липс. — «Однако мы показали, что такой подход работает в принципе для такой структуры фотоэлемента. И мы уже знаем, что нам нужно сделать, чтобы увеличить количество разделенных триплетных экситонов до 200%».
Источник: https://www.pv-magazine.de/2018/10/04/hzb-forscher-wollen-wirkungsgrad-grenze-fuer-silizium-solarzellen-auf-40-prozent-erhoehen/