Провідний американський розробник напівпровідникових сонячних фотоелементів Національна лабораторія поновлюваних джерел енергії (NREL), що фінансується міністерством енергетики США, зробила прорив у фотогальваніці, створивши фотоелектричну комірку з показником квантової ефективності, що перевищує 100%: число електронів, що протікають крізь вихідний контур такої комірки, помітно перевищує число вхідних фотонів визначеної частоти, що відповідає високоенергетичній ділянці спектру сонячного світла.

Показник квантової ефективності - ключова характеристика фотоелемента. В остаточному підсумку саме від нього залежить ККД напівпровідникових пристроїв, що перетворюють енергію сонячних фотонів в електричну.

До теперішнього моменту нікому не вдавалося створити фотокомірку, квантова ефективність якої у спектрі сонячного випромінювання перевищувала б 100%.

Дослідницькій групі NREL, яка вперше переборола стовідсотковий поріг і довела показник квантової ефективності до 114%, це вдалося.

Зроблено, таким чином, ще один важливий крок, що наближає створення промислових фотоелементів для сонячних електростанцій наступного покоління, які зможуть скласти серйозну ринкову конкуренцію електрогенераторам на ядерному та викопному паливі.

Результати своїх експериментів група виклала у статті під довгою назвою «Піковий показник квантової ефективності зовнішнього фотоструму перевищив 100 відсотків у фотоперетворювачі на квантових точках у процесі багатоступінчастого генерування екситонів (БГЕ)», опублікованій у журналі Science. Серед її авторів значаться доктор Артур Нозік і Мет’ю Берд, давно відомі своїм дослідженнями ефекту БГЕ у напівпровідниках із квантовими точками.

Багатоступінчасте генерування екситонів, або БГЕ, - спостережуваний у напівпровідниках ефект, при якому один поглинений фотон продукує більше однієї електрон-діркової пари, або екситону. Екситон - мігруюча по кристалу напівпровідника квазічастинка - зв'язаний стан електрону та «дірки» (місця, не заповненого електроном).

Ще у 2001 році Артур Нозік вперше передбачив, що БГЕ у квантових точках напівпровідника може протікати з більшою ефективністю, ніж у його основному тілі.

Власне квантові точки є мікроскопічними (1-20 нм) кристаликами напівпровідникового матеріалу. У цих нанометрових точках поведінка електрона починає визначатися квантовими ефектами, які можуть істотно змінити електричні властивості напівпровідникового елемента. Наприклад, електрони квантової точки, що «потрапили у полон», можуть стрибкоподібно перескакувати з одного рівня енергії на іншій (аналогічно атомам), а кожний такий перехід буде супроводжуватися випромінюванням фотона. Такі точки можна використовувати як люмінофори, і перші прототипи дисплеїв, що одержали назву QD-LED дисплеїв, на їхній основі вже створені.

У випадку з фотоелементами на напівпровідниках із квантовими точками вступає у дію інший ефект: було встановлено, що при додаванні у напівпровідник мікрокристалів співвідношення між числом фотонів, які поглинаються змішаним напівпровідником, і числом виникаючих електрон-діркових пар помітно збільшується. Ефект БГЕ на квантових точках відкритий поки що чисто емпірично, його пояснення з погляду квантової теорії знаходиться поки що у стадії гіпотези.

Як би не було, впроваджуючи у напівпровідник квантові точки, вже вдалося досягти значного збільшення енергоефективності фотоелементів. Як повідомляє група NREL, досягти показника у 114% вдалося за допомогою багатошарового фотоперетворювача на основі селеніду свинцю, «обробленого етанідитолом і гідразином».

Який може бути ефект від промислового застосування цієї технології?

Той же Артур Нозік, розглядаючи у 2006 році «ідеальне» рішення на основі БГЕ у напівпровідниках із квантовими точками, дійшов висновку, що використання таких фотоелементів може збільшити ККД сонячних електростанцій, що працюють на звичайних напівпровідниках, на 35% (ККД сучасних промислових фотоелементів, використовуваних у сонячних електростанціях, коливається у районі 20%, в окремих випадках досягаючи 40%).

Важливо, що виробництво фотоелементів, які працюватимуть на основі напівпровідників із квантовими точками, не буде пов’язане з необхідністю розробляти та впроваджувати принципово нові технології і матеріали (як вже продемонстрували виробники дисплеїв), так що ціна нових високоефективних сонячних панелей третього покоління не вдарить по кишені споживачів.

Джерело: InfoNova.org.ua

За матеріалами: gazeta.ru