Даже в научно-фантастических произведениях КПД источников энергии не может быть больше 100 % — это физика нашей Вселенной. Потери есть всегда. Задача учёных снизить объём потерь, что тем сложнее, чем ближе к его теоретическому пределу. Для классического солнечного элемента на p-n-переходе предел — это 33 % КПД. Но физика солнечного света сложнее. И учёные из Японии нашли возможность далеко выйти за пределы этой теории.

Ryzen и DDR5-6000 на чипах Samsung — G.Skill даёт добро

Обзор Intel Core Ultra 7 270K Plus — лучший Arrow Lake за полцены

72 полёта над Марсом: как Ingenuity пережил зиму, сбои и собственную миссию

Обзор Intel Core Ultra 5 250K Plus, или Как Arrow Lake превратился в «топ за свои деньги»

Выбираем лучший игровой ноутбук до 100 000 рублей: сравнительное тестирование 7 интересных моделей

Обзор Ryzen 9 9950X3D2: правильный 16-ядерник с 3D-кешем

Источник изображения: ИИ-генерация ChatGPT/3DNews

Идею проработали исследователи из Университета Кюсю (Kyushu University) в сотрудничестве с Университетом Йоханнеса Гутенберга (Johannes Gutenberg University) из Германии. В классическом фотоэлементе один поглощённый фотон создаёт в полупроводнике один экситон (электрон и дырку). Фотон — это один квант света (минимально возможная единица энергии электромагнитного излучения данной длины волны). Он не может создать больше одного электрона. Эта энергия поглощается электроном и переводит его в возбуждённое состояние, отправляя путешествовать по материалу в виде электрического тока.

При этом электроны реагируют только на свет (фотоны) определённой длины волны. Они не поглощают кванты энергии в нижнем и верхнем диапазоне излучения. Таких материалов просто нет в природе или учёные не научились их создавать. В то же время такие «запредельные» фотоны попадают на солнечную панель, но не создают в ней поток электронов, а только рассеиваются в виде тепла. Это тот резерв, который смогли привлечь к выработке электричества учёные. Конкретно — они смогли с пользой использовать высокоэнергетические фотоны из синей части спектра.

Механизм работы технологии основан на двух ключевых процессах. Высокоэнергетические (синие) фотоны в материале подвергаются синглетному расщеплению: один экситон делится на два с более низкой энергией и уже каждый из этих двух экситонов захватывается встроенным в фотоэлемент «молибденовым комплексом» в комбинации с определённым материалом. Тем самым вместо одного электрона «синий» фотон фактически возбуждает в материале два электрона для генерации тока. Попутно комбинация материалов подавляет так называемый Фёрстеровский перенос энергии, который в обычных условиях блокировал бы возбуждение определённого количества электронов и понижал бы КПД.

Эксперименты показали впечатляющие результаты, а именно квантовый выход около 130 % (1,3 экситона на фотон). По оценкам исследователей, такая технология способна поднять теоретическую эффективность однопереходных солнечных элементов до 35–45 %, что существенно превышает предел Шокли–Квейссера (33 %) для традиционных кремниевых панелей и реальные показатели коммерческих модулей (20–25 %). Достижение носит пока характер доказательства концепции и реализован в растворе молекул, однако он закладывает основу для прорыва в производстве солнечной энергии.

Китайская компания Longi, известная своим развитым производством коммерческих солнечных панелей, сообщила о достижении самой высокой эффективности тандемной солнечной ячейки, созданной на основе кремния и перовскита. КПД новой разработки составил 34,85 %, что превзошло предыдущий рекорд в 34,6 %, установленный той же компанией в сентябре 2024 года. Новое достижение вплотную приблизилось к теоретическому пределу ячеек такого типа, который составляет 35 %.

72 полёта над Марсом: как Ingenuity пережил зиму, сбои и собственную миссию

Обзор Ryzen 9 9950X3D2: правильный 16-ядерник с 3D-кешем

Обзор Intel Core Ultra 5 250K Plus, или Как Arrow Lake превратился в «топ за свои деньги»

Выбираем лучший игровой ноутбук до 100 000 рублей: сравнительное тестирование 7 интересных моделей

Ryzen и DDR5-6000 на чипах Samsung — G.Skill даёт добро

Обзор Intel Core Ultra 7 270K Plus — лучший Arrow Lake за полцены

Источник изображения: Longi

Чем ближе эффективность солнечной ячейки к теоретическому пределу, тем труднее добиться дальнейшего прогресса. Большинство научных источников считает, что для однопереходной тандемной ячейки из кремния и перовскита, где каждый из материалов обладает чувствительностью к своему собственному спектру и почти не перекрывается с другим, теоретический предел КПД равен 35 %. Китайская Longi продемонстрировала ячейку с КПД практически на уровне 34,9 %. Именно такое значение указано в своеобразной «Книге рекордов», которую ведёт американская лаборатория NREL.

Для достижения нового рекорда исследователи провели столь глубокую настройку материалов, о которой ещё недавно и не задумывались. Они создали асимметричную молекулу переходного слоя с дырочной проводимостью, которая своей утолщённой стороной заполняет неровности на поверхности кремниевого слоя, далёкого от идеала. При этом верхний край молекулы идеально выравнивается при контакте с перовскитом. Это улучшает проводимость дырок и защищает их от рекомбинации с электронами, что позволяет избежать паразитного излучения.

Источник изображения: NREL

Новый материал для переходного слоя получил название HTL201 (hole transport layer). Дополнительно он предотвращает образование оксидных плёнок на поверхности перовскита и кремния. При тестировании в стандартных условиях освещённости тандемный солнечный элемент Longi площадью 1 см² показал эффективность 34,85 %, напряжение холостого хода — 2,001 В, плотность тока короткого замыкания — 20,64 мА/см², а коэффициент заполнения составил 83,79 %. В Longi считают это выдающимся результатом и надеются со временем реализовать данную технологию в коммерческих солнечных панелях.