Эффективность солнечных батарей можно повысить вдвое с помощью нанокристаллов

Ученые показали, что при использовании полупроводниковых нанокристаллов, называемых квантовыми точками, можно вдвое повысить эффективность преобразования энергии солнечными батареями: с нынешних 30% до более чем 60%, сообщается в статье, опубликованной в журнале Science в пятницу.

Разработка ученых позволяет улавливать так называемые «горячие электроны» и использовать их энергию в электрической цепи, которая в современных кремниевых солнечных источниках энергии не может быть преобразована, а потому рассеивается в виде тепла.

В солнечных батареях электричество вырабатывается в результате возбуждения светом электронов в объеме полупроводника, например кремния, которые затем переходят в электрическую цепь. Однако, таким образом можно преобразовать чуть более 30% солнечной энергии, остальная часть спектра солнечного света имеет слишком высокую энергию, а потому приводит к образованию горячих электронов. Эти электроны, возбуждаясь, не переходят в электрическую цепь, а очень быстро передают свою энергию кристаллической решетке полупроводника и возвращаются в исходное «холодное» состояние. Это приводит к потерям солнечной энергии в виде тепла.

Группа ученых во главе с профессором Сяо Яном Жу (Xiaoyang Zhu) из Техасского университета в Остине, США, впервые показала, что горячие электроны все же можно уловить, если использовать для этих целей нанокристаллы полупроводников, так называемые «квантовые точки». Такое название этот тип нанокристаллов получил за хорошо наблюдаемые на их примере электронные квантовые эффекты, которые невозможно наблюдать на объемных материалах тех же веществ.

В своей работе ученые использовали квантовые точки селенида свинца — PbSe. Ученые, с помощью специальных спектроскопических методов, показали, что при возбуждении горячих электронов в квантовых точках этого материала, нанесенных на поверхность оксида титана, горячие электроны «остывают» достаточно медленно: в течение сотен пикосекунд вместо всего нескольких. За это время эти электроны успевают мигрировать в диоксид титана — полупроводниковый материал, часто используемый для создания солнечных батарей.

Следующим шагом ученых будет попытка показать, что такой принцип преобразования солнечной энергии может использоваться в реально работающих солнечных батареях. Он позволит, согласно теоретическим расчетам, повысить их эффективность преобразования энергии более, чем вдвое по сравнению с современными, до 66%.

«Энергия горячих электронов может быть потеряна в виде тепла при их переходе из фоточувствительного полупроводникового элемента в провода электрической цепи. Наша следующая задача — оптимизировать химическую границу между полупроводником и соединительными проводами с тем, чтобы минимизировать потери энергии в виде тепла. Так мы сможем преобразовать максимально возможное количество солнечного света в энергию электричества. Это будет «абсолютная солнечная батарея», — прокомментировал работу Жу, слова которого приводит пресс-служба университета.

«У человечества нет причин для того, чтобы не обеспечить на 100% свои энергетические нужды энергией солнечного света в ближайшие 50 лет», — подытожил ученый.