Команда, в которую входят ученые из Университета Дрекселя, Института кристаллографии им. Шубникова РАН, Университета Пенсильвании и Университета США. S. Лаборатория военно-морских исследований недавно опубликовала свои выводы в журнале Nature Photonics. В их статье «Эффективность преобразования энергии, превышающая предел Шокли-Кайссера в сегнетоэлектрическом изоляторе» объясняется, как они смогли использовать кристалл титаната бария для преобразования солнечного света в электрическую энергию гораздо более эффективно, чем предел Шокли-Кайссера для материала, который почти не поглощает свет в видимом спектре – только ультрафиолет.
Явление, лежащее в основе новых открытий, было обнаружено Фридкиным, который является одним из основных соавторов статьи, около 47 лет назад, когда он обнаружил физический механизм преобразования света в электрическую энергию – тот, который отличается от другого. от метода, используемого в настоящее время в солнечных элементах. Механизм основан на сборе «горячих» электронов, которые переносят дополнительную энергию в фотоэлектрическом материале при возбуждении солнечным светом, прежде чем они потеряют свою энергию. И хотя до недавнего времени ему уделялось относительно мало внимания, так называемый «объемный фотоэлектрический эффект» теперь может стать ключом к революции в использовании солнечной энергии.
Пределы солнечной энергии
Преобразование солнечной энергии до сих пор было ограничено из-за конструкции солнечных элементов и электрохимических характеристик материалов, используемых для их изготовления.
"В обычном солнечном элементе, изготовленном из полупроводника, поглощение солнечного света происходит на границе раздела между двумя областями, одна из которых содержит избыток носителей отрицательного заряда, называемых электронами, а другая – избыток носителей положительного заряда, "дыры", – сказала Алессия Полеми, профессор-исследователь инженерного колледжа Дрекселя и один из соавторов статьи.
Для создания электронно-дырочных пар на границе раздела, где необходим электрический ток, фотоны солнечного света должны возбуждать электроны до такого уровня энергии, который позволяет им покинуть валентную зону и перейти в зону проводимости. разница в уровнях энергии между этими двумя полосами называется "запрещенной зоной"."Это означает, что в фотоэлектрических материалах не весь доступный солнечный спектр можно преобразовать в электрическую энергию.
А для энергии фотонов солнечного света, превышающей ширину запрещенной зоны, возбужденные электроны теряют избыточную энергию в виде тепла, а не превращают ее в электрический ток. Этот процесс дополнительно снижает количество энергии, которое может быть извлечено из солнечного элемента.
"Индуцированные светом носители генерируют напряжение, а их поток представляет собой ток.
Практические солнечные элементы производят энергию, которая является продуктом тока и напряжения », – сказал Полеми. "Это напряжение и, следовательно, мощность, которую можно получить, также ограничены шириной запрещенной зоны."
Но, как обнаружил Фридкин в 1969 году – и команда подтверждает это исследование – это ограничение не является универсальным, а это означает, что солнечные элементы можно улучшить.
Новая жизнь старой теории
Когда Фридкин и его коллеги из Института кристаллографии в Москве наблюдали необычно высокое фотоэдс при изучении сегнетоэлектрического йодида сульфида сурьмы – материала, в котором не было перехода, разделяющего носители, – он предположил, что симметрия кристалла может быть причиной его возникновения. замечательные фотоэлектрические свойства. Позже он объяснил, как этот очень слабый «объемный фотоэлектрический эффект» включает перенос фотогенерированных горячих электронов в определенном направлении без столкновений, которые вызывают охлаждение электронов.
Это важно, потому что ограничение на преобразование солнечной энергии из теории Шокли-Кайссера основано на предположении, что вся эта избыточная энергия теряется – теряется в виде тепла. Но открытие команды показывает, что не вся избыточная энергия горячих электронов теряется, и что энергия может быть фактически извлечена в виде энергии перед термализацией.
«Главный результат – превышение [зависящего от энергетического зазора] [предела энергоэффективности] по Шокли-Кайссеру с использованием небольшой части солнечного спектра – вызвано двумя механизмами», – сказал Фридкин. «Первый – это объемный фотоэлектрический эффект с участием горячих носителей, а второй – это сильное экранирующее поле, которое приводит к ударной ионизации и размножению этих носителей, увеличивая квантовый выход."
Ударную ионизацию, которая приводит к умножению носителей, можно сравнить с набором домино, в котором каждое домино представляет собой связанный электрон. Когда фотон взаимодействует с электроном, он возбуждает электрон, который под воздействием сильного поля ускоряет и “ ионизирует ” или высвобождает другие связанные электроны на своем пути, каждый из которых, в свою очередь, также ускоряет и запускает высвобождение другие.
Этот процесс продолжается последовательно – как запуск нескольких каскадов домино с помощью одной остроконечной плитки – в результате получается гораздо больший ток.
Этот второй механизм, экранирующее поле, представляет собой электрическое поле, присутствующее во всех сегнетоэлектрических материалах. Но с наноразмерным электродом, используемым для сбора тока в солнечном элементе, поле усиливается, и это имеет положительный эффект, способствуя ударной ионизации и умножению носителей. Следуя аналогии с домино, поле управляет эффектом каскада, гарантируя, что он продолжается от одного домино к другому.
«Этот результат очень многообещающий для высокоэффективных солнечных элементов, основанных на применении сегнетоэлектриков, имеющих энергетический зазор в области более высокой интенсивности солнечного спектра», – сказал Фридкин.
Строительство к прорыву
"Кто бы мог подумать, что электрический изолятор можно использовать для улучшения преобразования солнечной энергии?"сказал Джонатан Э. Спаниер, профессор материаловедения, физики и электротехники в Drexel и один из основных авторов исследования. "Титанат бария поглощает менее десятой части солнечного спектра.
Но наше устройство преобразует падающую мощность на 50 процентов эффективнее, чем теоретический предел для обычного солнечного элемента, построенного с использованием этого материала или материала с таким же энергетическим зазором."
Этот прорыв основан на исследовании, проведенном несколько лет назад Эндрю М. Рапп, профессор химии и материаловедения и инженерии Бланшара Пенсильванского университета, один из основных авторов, и Стив М. Янг, также соавтор нового отчета. Рапп и Янг показали, как можно рассчитать объемные фотоэлектрические токи, что побудило Спаниера и его сотрудников исследовать, может ли быть достигнута более высокая эффективность преобразования энергии в сегнетоэлектриках.
«Есть много интересных отчетов об использовании наноразмерных материалов или явлений для улучшения преобразования солнечной энергии», – сказал Спаниер. «Профессор Фридкин несколько десятилетий назад осознал, что объемный фотоэлектрический эффект позволяет свободным электронам, генерируемым светом и имеющим избыточную энергию, перемещаться в определенном направлении, прежде чем они остынут или« термализуются »- и теряют свою избыточную энергию из-за колебаний кристаллической решетки."
Рапп также отвечал за соединение Спаниера с Фридкиным в 2015 году, сотрудничество, которое положило начало исследованиям, которые теперь подробно описаны в Nature Photonics, – подтверждению многолетнего видения Фридкина.
«Владимир всемирно известен своим новаторским вкладом в область электроксерографии, поскольку он построил первый рабочий фотокопировальный аппарат в мире», – сказал Рапп. "Затем он стал лидером в области сегнетоэлектричества и пьезоэлектричества, а также выдающимся специалистом в понимании взаимодействия света с сегнетоэлектриками. Фридкин объяснил, как в кристаллах, лишенных инверсионной симметрии, фотовозбужденные электроны приобретают асимметрию в своих импульсах.
Это, в свою очередь, заставляет их двигаться в одном направлении, а не в противоположном. Удивительно, что тот же человек, который открыл эти объемные фотоэлектрические эффекты почти 50 лет назад, теперь помогает использовать их для практического использования в наноматериалах."
Исследование поддержано U.S. Управление армейских исследований, Управление военно-морских исследований, США.
S. Министерство энергетики и Национальный научный фонд.