Фізики видавили з сонячних батарей додаткову енергію

Британські фізики запропонували спосіб підвищення ефективності сучасних сонячних батарей за рахунок локального здавлювання напівпровідникових кристалів при опроміненні їх світлом. Здавлювання матеріалу призводить до виникнення в ньому градієнта механічної напруги і стає причиною вперше виявленого флексо-фотовольтаїчного ефекту, який спостерігається у всіх відомих напівпровідниках, включаючи кремній, пишуть вчені в.

Для всіх сучасних сонячних батарей максимальна ефективність перетворення енергії падаючого на них світла в електричний струм має теоретичну межу. Наприклад, ККД будь-яких одношарових сонячних елементів, що складаються з одного p-n-переходу, обмежується межею Шоклі - Квайссера, який визначається часткою сонячного світла, що поглинається фотоелементом, і становить близько 34 відсотків. Щоб подолати цю межу, вчені пропонують різні способи, наприклад, використовують для провідності так звані гарячі носії заряду, які з'являються в напівпровіднику при поглинанні світла з енергією більше ширини забороненої зони.

У матеріалах, у кристалічної структури яких відсутня центральна симетрія (наприклад, п'єзо- або сегнетоелектриках), перетворити додаткову енергію світла в електричний струм також вдавалося за рахунок аномального фотовольтаїчного ефекту, при якому фотовізолені електрони в матеріалі мають різну рухливість у різних напрямках. Через це при поглинанні світла електрон зміщується вздовж однієї з осей кристала, після чого в результаті безизлучного переходу спускається на сусідній валентний рівень і стає здатний знову поглинати світло, зміщуючись далі. У результаті збудження такого «струму зміщення» матеріал може поглинати світло з енергією, що у багато разів перевершує ширину забороненої зони.

Британські фізики з Ворікського університету під керівництвом Марина Алекса (Marin Alexe) показали, що за рахунок аномального фотовольтаїчного ефекту можна підвищити ККД не тільки сегнетоелектриків з порушеною центрально симетрією, але і будь-яких напівпровідників, включаючи в тому числі найпоширеніший в сонячних батареях матеріал - кремній. Для цього вчені запропонували локально деформувати опромінювану поверхню окремого напівпровідникового кристала, використовуючи флексоелектричний ефект, за рахунок якого градієнт механічної напруги призводить до поляризації матеріалу. В експерименті вчені деформували поверхню кристала за допомогою голки атомного силового мікроскопа або спеціального пристрою для мікровдавлювання (microindentation) з силою до 15 мікроньютонів. Деформована область опромінювалася лазером з довжиною хвилі 405 нанометрів.

Вчені перевірили запропонований метод на трьох монокристалах з вираженою центральною симетрією: оксиді титану (IV), титанаті стронція і кремнії, висвітлюючи деформовану ділянку короткими лазерними імпульсами. Виявилося, що для всіх матеріалів запропонована схема призводить до збудження гігантського для цих кристалів фотоструму - до декількох десятків пікоампер при навантаженні 15 мікроньютонів. При цьому, наприклад, щільність струму збільшувалася приблизно на два порядки при підвищенні сили натискання від 1 до 15 мікроньютонів.

Виявлене явище, до якого призвели одночасні флексоелектричний і аномальний фотовольтаїчний ефекти, вчені назвали флексо-фотовольтаїчним ефектом. Автори роботи вважають, що його використання може значно підвищити ефективність тих напівпровідникових матеріалів, які зараз використовуються в сонячних батареях.

Інший спосіб підняти ефективність фотоелементів вище теоретичної межі - збільшити час життя гарячих носіїв заряду, які утворюються в напівпровіднику при поглинанні фотонів з енергією більше ширини забороненої зони. Наприклад, недавно хімікам вдалося довести час життя гарячих електронів у перовскитних батареях до декількох наносекунд, що підняло теоретичну межу їх ефективності з 34 відразу до 66 відсотків.