Кристалічна решітка перовскита CH3NH3PbI3
Wikimedia Commons
Американські дослідники показали, що в сонячних елементах на основі перовскитів носії заряду, що володіють надлишковою енергією, здатні долати значну відстань, перш ніж розсіють її у вигляді тепла. Це означає, що реалізувати фотоелектричні елементи на гарячих носіях, для яких теоретичну межу ККД удвічі вище, ніж у звичайних кремнієвих, на практиці цілком можливо. дослідження опубліковано в журналі Science.
У найпоширеніших на сьогоднішній день сонячних елементах, що використовують в якості напівпровідника кремній, теоретично можливий коефіцієнт корисної дії ледь перевищує 30 відсотків. Це пов'язано з тим, що кремнієві елементи здатні використовувати спектр сонячного світла тільки частково. Фотони, що володіють енергією нижче порогової, просто не поглинаються, а володіють занадто високою призводять до утворення в фотоелементі так званих гарячих носіїв заряду (наприклад, електронів). Час життя останніх становить близько пікосекунди (10-12 секунди), потім вони «остигають», тобто розсіюють надлишкову енергію у вигляді тепла. Якби гарячі носії вдавалося збирати, це підвищило б теоретичну межу ККД до 66 відсотків, тобто вдвічі. Незважаючи на те що в деяких експериментах невелике збереження енергії вдавалося спостерігати , Елементи на гарячих носіях поки залишаються скоріше гіпотетичними.
Вчені з Університету Пердью і Національної лабораторії відновлюваної енергетики (США) внесли вклад у вивчення нового перспективного класу фотоелектричних елементів на основі перовскитів і продемонстрували, що в таких елементах гарячі носії не тільки володіють підвищеним часом життя (до 100 пикосекунд), але і здатні «пробігати »значні дистанції в кілька сотень нанометрів (що можна порівняти з товщиною шару напівпровідника).
Металлорганические перовскіту отримали свою назву завдяки кристалічній структурі. Вона по суті повторює структуру природного мінералу - перовскита, або титанату кальцію. Хімічно вони являють собою змішані нітрати свинцю і органічних катіонів. Автори роботи використовували поширений перовскит на основі йодиду свинцю і метіламмонія. Виходячи з того, що в перовскітах час життя гарячих носіїв істотно збільшено в порівнянні з іншими напівпровідниками, автори вирішили з'ясувати, на яку відстань можуть переноситися гарячі носії за час їх охолодження. З використанням ультрашвидкісна мікроскопії дослідникам вдалося безпосередньо спостерігати транспорт гарячих носіїв в тонких плівках перовскита з високим просторовим і тимчасовим дозволом.
Транспорт гарячих носіїв в напівпровіднику протягом першої пікосекунди після порушення
Guo et al / Science 2017
Виявилося, що повільне охолодження в перовскітах пов'язане з дальністю пробігу, яка склала до 600 нанометрів. Це означає, що носії заряду з надлишковою енергією теоретично здатні долати шар напівпровідника і досягати електрода, тобто їх можливо збирати (правда, як це реалізувати технічно, автори роботи не обговорюють). Таким чином, сонячні елементи на гарячих носіях, можливо, вдасться втілити в життя, взявши за основу перовскіту. В даний час в побуті використовуються в основному кремнієві фотоелементи, реальний ККД яких становить 10-20 відсотків. Елементи на основі перовскитів з'явилися менше 10 років назад і відразу викликали до себе заслужений інтерес (про них ми вже писали раніше ). ККД таких елементів швидко збільшується і практично доведено до 25 відсотків, що можна порівняти з кращими зразками кремнієвих фотоелементів. До того ж вони дуже прості у виробництві. Незважаючи на технологічний успіх, фізичні принципи роботи перовскітових елементів відносно мало вивчені, тому обговорювана робота вчених з США вносить важливий внесок у фундаментальні основи фотовольтаїки і, звичайно, тягне за собою перспективу подальшого збільшення ККД сонячних елементів.Дарина Спаська