Aмeрикaнскиe исслeдoвaтeли пoкaзaли, чтo в сoлнeчныx элeмeнтax нa oснoвe пeрoвскитoв нoситeли зaрядa, oблaдaющиe избытoчнoй энeргиeй, спoсoбны прeoдoлeвaть знaчитeльнoe рaсстoяниe, прeждe чем рассеют ее в виде тепла. Это означает, что реализовать фотоэлектрические элементы на горячих носителях, для которых теоретический предел КПД вдвое выше, чем у обычных кремниевых, на практике вполне возможно. Исследование опубликовано в журнале Science.
В самых распространенных на сегодняшний день солнечных
элементах, использующих в качестве полупроводника кремний, теоретически
возможный коэффициент полезного действия едва превышает 30 процентов. Это связано с тем, что кремниевые элементы
способны использовать спектр солнечного света только частично. Фотоны,
обладающие энергией ниже пороговой, просто не поглощаются, а обладающие слишком
высокой приводят к образованию в фотоэлементе так называемых горячих носителей
заряда (например, электронов). Время жизни последних составляет около пикосекунды (10-12
секунды), потом они «остывают», то есть рассеивают избыточную энергию в виде
тепла. Если бы горячие носители удавалось собирать, это повысило бы теоретический
предел КПД до 66 процентов, то есть вдвое. Несмотря на то что в некоторых экспериментах
небольшое сохранение энергии удавалось наблюдать, элементы на горячих носителях
пока остаются скорее гипотетическими.
Ученые из Университета Пердью и Национальной лаборатории
возобновляемой энергетики (США) внесли вклад в изучение нового перспективного
класса фотоэлектрических элементов на основе перовскитов и продемонстрировали,
что в таких элементах горячие носители не только обладают повышенным временем
жизни (до 100 пикосекунд), но и способны «пробегать» значительные дистанции в
несколько сотен нанометров (что сопоставимо с толщиной слоя полупроводника).
Металлорганические перовскиты получили свое название благодаря кристаллической структуре. Она по сути повторяет структуру природного минерала — перовскита, или титаната кальция. Химически они представляют собой смешанные галогениды свинца и органических катионов. Авторы работы использовали распространенный перовскит на основе иодида свинца и метиламмония. Исходя из того, что в перовскитах время
жизни горячих носителей существенно увеличено по сравнению с другими
полупроводниками, авторы решили выяснить, на какое расстояние могут переноситься горячие носители за время их остывания. С использованием
ультраскоростной микроскопии исследователям удалось непосредственно
пронаблюдать транспорт горячих носителей в тонких пленках перовскита с высоким
пространственным и временным разрешением.
В настоящее время в быту используются в основном кремниевые фотоэлементы, реальный КПД которых составляет 10–20 процентов.
Элементы на основе перовскитов появились менее 10 лет назад и сразу вызвали к
себе заслуженный интерес (о них мы уже писали ранее). КПД таких элементов быстро увеличивается и практически доведен до 25 процентов, что сопоставимо с лучшими образцами кремниевых фотоэлементов. К
тому же они очень просты в производстве. Несмотря на технологический успех, физические принципы
работы перовскитовых элементов относительно мало изучены, поэтому обсуждаемая
работа ученых из США вносит важный вклад в фундаментальные основы
фотовольтаики и, конечно, влечет за собой перспективу дальнейшего увеличения КПД солнечных
элементов.
Дарья Спасская
N+1
