Как получить дополнительную энергию от солнечных панелей придумали британские ученые

Британские физики предложили способ повышения эффективности современных солнечных батарей за счет локального сдавливания полупроводниковых кристаллов при облучении их светом.

Британские физики предложили способ повышения эффективности современных солнечных батарей за счет локального сдавливания полупроводниковых кристаллов при облучении их светом. Сдавливание материала приводит к возникновению в нем градиента механического напряжения и становится причиной впервые обнаруженного флексо-фотовольтаического эффекта, который наблюдается во всех известных полупроводниках, включая кремний, пишут ученые в Science.

Для всех современных солнечных батарей максимальная эффективность преобразования энергии падающего на них света в электрический ток имеет теоретический предел. Например, КПД любых однослойных солнечных элементов, состоящих из одного p-n-перехода, ограничивается пределом Шокли — Квайссера, который определяется долей солнечного света, поглощаемого фотоэлементом, и составляет около 34 процентов. Чтобы преодолеть этот предел, ученые предлагают различные способы, например, используют для проводимости так называемые горячие носители заряда, которые появляются в полупроводнике при поглощении света с энергией больше ширины запрещенной зоны.

В материалах, у кристаллической структуры которых отсутствует центральная симметрия (например, пьезо- или сегнетоэлектриках), преобразовать дополнительную энергию света в электрический ток также удавалось за счет аномального фотовольтаического эффекта, при котором фотовозбужденные электроны в материале имеют разную подвижность в разных направлениях.

Из-за этого при поглощении света электрон смещается вдоль одной из осей кристалла, после чего в результате безызлучательного перехода спускается на соседний валентный уровень и становится способен вновь поглощать свет, смещаясь дальше. В результате возбуждения такого «тока смещения» материал может поглощать свет с энергией, во много раз превосходящую ширину запрещенной зоны.

Британские физики из Уорикского университета под руководством Марина Алекса (Marin Alexe) показали, что за счет аномального фотовольтаического эффекта можно повысить КПД не только сегнетоэлектриков с нарушенной центрально симметрией, но и любых полупроводников, включая в том числе самый распространенный в солнечных батареях материал — кремний.

Для этого ученые предложили локально деформировать облучаемую поверхность отдельного полупроводникового кристалла, используя флексоэлектрический эффект, за счет которого градиент механического напряжения приводит к поляризации материала. В эксперименте ученые деформировали поверхность кристалла с помощью иголки атомного силового микроскопа или специального устройства для микровдавливания (microindentation) с силой до 15 микроньютонов. Деформируемая область облучалась лазером с длиной волны 405 нанометров.

Ученые проверили предложенный метод на трех монокристаллах с выраженной центральной симметрией: оксиде титана(IV), титанате стронция и кремнии, освещая деформированный участок короткими лазерными импульсами. Оказалось, что для всех материалов предложенная схема приводит к возбуждению гигантского для этих кристаллов фототока — до нескольких десятков пикоампер при нагрузке 15 микроньютонов. При этом, например, плотность тока увеличивалась примерно на два порядка при повышении силы нажатия от 1 до 15 микроньютонов.

Обнаруженное явление, к которому привели одновременные флексоэлектрический и аномальный фотовольтаический эффекты, ученые назвали флексо-фотовольтаическим эффектом. Авторы работы считают, что его использование может значительно повысить эффективность тех полупроводниковых материалов, которые сейчас используются в солнечных батареях.

Другой способ поднять эффективность фотоэлементов выше теоретического предела — увеличить время жизни горячих носителей заряда, которые образуются в полупроводнике при поглощении фотонов с энергией больше ширины запрещенной зоны. Например, недавно химикам удалось довести время жизни горячих электронов в перовскитных батареях до нескольких наносекунд, что подняло теоретический предел их эффективности с 34 сразу до 66 процентов.  опубликовано econet.ru  

Если у вас возникли вопросы по этой теме, задайте их специалистам и читателям нашего проекта здесь.

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление - мы вместе изменяем мир! © econet