ККД сонячних панелей може бути набагато більше 100%

Дослідники з Університету Аалто, Фінляндія, розробили кремнієвий фотоперетворювач світла в електрику, ефективність якого склала 132%. ККД був настільки високий, що спочатку дослідникам самим було важко повірити в результат. Тепер же дочірня компанія Університету Аалто ElFys Inc. вже постачає детектори світла для декількох секторів промисловості

«Коли ми побачили результати, ми не повірили своїм очам. Ми відразу захотіли перевірити результати за допомогою незалежних вимірювань », – розповів професор Хелі Савін (Hele Savin), керівник дослідницької групи електронної фізики в Університеті Аалто.

Однак дані фінських вчених були підтверджені незалежними вимірами, виконаними в Німецькому національному метрологічному інституті Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), Німеччина, який, як визнано, надає найточніші і надійні послуги за вимірюваннями в Європі.
Фактично мова йде про фотоелектричний прилад, ефективність якого перевищує 130% (з урахуванням світла в УФ-діапазоні). Цей результат відкриває нові можливості для підвищення ефективності сонячних панелей понад певної межі Шоклі-Кайссера – максимальної теоретично можливої ефективності PV-елементів, що працюють на одному «pn» переході. Вперше вона була розрахована Шоклі і Квайссер в 1961 році. Для типових сонячних елементів в звичайних умовах це обмеження становить близько 30%.

Причин обмеження ККД фотоперетворення кілька. Якщо говорити спрощено, то при 100% квантової ефективності кожен фотон, що потрапляє на поверхню фотоелемента, повинен вибити з його матеріалу один електрон, а той, ніде не загубившись, повинен точно потрапити на провідник колектора.

Крім того, що не всі електрони можна зібрати на колекторі, не всі фотони вибивають електрон, а відображаються або поглинаються матеріалом. Існує ще й ефект рекомбінації – тобто, на місце ( «дірку») від вибитого раніше електрона стає наступний електрон, який був вибитий іншим фотоном, що потрапили на матеріал фотоелектричного перетворювача. Ефективність 130% означає, що один вхідний фотон генерує кілька електронів, з них в даному випадку приблизно 1,3 електрона «добираються» до колектора. Закони фізики насправді не порушуються.

Секрет прориву: унікальні конусні наноструктури з модифікованого т. н. «чорного» кремнію. Дослідники з’ясували, що причиною виключно високої зовнішньої квантової ефективності є процес розмноження носіїв заряду всередині конусних кремнієвих наноструктур, який запускається фотонами високої енергії (в звичайному спектрі сонячного світла в наземних умовах це УФ-складова). Фотони вибивають відразу кілька електронів, а підсумкове кількість, зібраних на колекторі, перевищує всі «природні» втрати. Ефект подібний до того, як одним більярдною кулею розбивається ціла «піраміда». Явище розмноження не спостерігалося раніше в реальних пристроях, оскільки наявність електричних і оптичних втрат зменшувало кількість зібраних електронів. Тут же кількість розмножених електронів настільки високо, що перевищує втрати,
«Ми можемо зібрати всі розмноження носії заряду без необхідного раніше окремого зовнішнього силового зсуву, оскільки в нашому наноструктурованому пристрої немає звичайних втрат на рекомбінацію і відображення», – пояснює професор Х. Савін.

Крім очевидної можливості поліпшити показники ефективності сонячних панелей, на практиці висока ефективність фотоперетворення означає, що продуктивність будь-якого пристрою, що використовує виявлення світла, може бути значно поліпшена. Виявлення світла і перетворення його в електричний сигнал широко використовується в нашому повсякденному житті. Наприклад, в автомобілях, мобільних телефонах, розумних годинах і медичних пристроях, системах безпеки та т. і. Промислове застосування має на увазі, наприклад, детектори для біотехнології та моніторингу промислових процесів. Дочірня компанія Elfys Inc. при Університеті Аалто вже виробляє надефективні пластинки фотодетекторов для комерційного використання.