Ученые обнаружили, что многообещающая группа материалов, известных как перовскиты гибридного галогенида свинца, может перерабатывать свет - открытие, которое, по их мнению, может привести к значительному повышению эффективности солнечных элементов.
Гибридные галогениды свинца перовскиты представляют собой особую группу синтетических материалов, которые стали предметом интенсивных научных исследований, поскольку они обещают революцию в области солнечной энергетики. Помимо того, что они дешевы и просты в производстве, перовскитные солнечные элементы за несколько лет стали почти такими же энергоэффективными, как кремний - материал, который в настоящее время используется в большинстве бытовых солнечных панелей.
Показывая, что они также могут быть оптимизированы для повторного использования света, новое исследование предполагает, что это может быть только началом. Солнечные элементы работают, поглощая солнечные фотоны для создания электрических зарядов, но этот процесс также работает и в обратном направлении, потому что, когда электрические заряды рекомбинируют, они могут создать фотон. Исследование показывает, что перовскитные клетки обладают дополнительной способностью повторно поглощать эти регенерированные фотоны - процесс, известный как «рециркуляция фотонов». Это создает эффект концентрации внутри клетки, как если бы линза использовалась для фокусировки большого количества света в одном месте.
По мнению исследователей, эта способность перерабатывать фотоны может быть относительно легко использована для создания ячеек, способных раздвинуть границы энергоэффективности солнечных панелей.
Исследование основано на налаженном сотрудничестве с упором на использование этих материалов не только в солнечных элементах, но и в светоизлучающих диодах, и было проведено в группе Ричарда Френда, профессора физики Кавендиша и научного сотрудника. из колледжа Святого Иоанна в Кембриджском университете. Исследование было проведено в партнерстве с командой Генри Снайта из Оксфордского университета и Бруно Эрлера из Института FOM, AMOLF, Амстердам.
Феликс Дешлер, который является одним из соответствующих авторов исследования и работает с группой, изучающей перовскиты в Кавендишской лаборатории, сказал: «Это массовая демонстрация качества этого материала и открывает двери для максимизации эффективность солнечных элементов. Методы изготовления, которые потребуются для использования этого явления, несложны, и это должно значительно повысить эффективность этой технологии по сравнению с тем, что мы могли достичь до сих пор».
Солнечные элементы на основе перовскита были впервые испытаны в 2012 году и оказались настолько успешными, что в 2013 году журнал Science Magazine назвал их одним из прорывов года.
С тех пор исследователи добились быстрого прогресса в повышении эффективности, с которой эти клетки преобразовывают свет в электрическую энергию. Недавние эксперименты показали КПД преобразования энергии около 20% - показатель, уже сравнимый с кремниевыми элементами.
Показав, что клетки на основе перовскита также могут перерабатывать фотоны, новое исследование предполагает, что они могут достичь гораздо большей эффективности.
Исследование, о котором сообщается в журнале Science, включало облучение лазером одной части образца перовскита иодида свинца толщиной 500 нанометров. Перовскиты излучают свет при контакте с ним, поэтому команда смогла измерить фотонную активность внутри образца на основе излучаемого им света.
Близко к тому месту, где на пленку падал лазерный луч, исследователи обнаружили световое излучение в ближнем инфракрасном диапазоне. Важно, однако, то, что это излучение также было обнаружено дальше от точки, где лазер попадал на образец, вместе со вторым излучением, состоящим из фотонов с более низкой энергией.
«Низкоэнергетический компонент позволяет транспортировать заряды на большие расстояния, но высокоэнергетический компонент не мог бы существовать, если бы фотоны не перерабатывались», - Луис Мигель Пазос Оутон, соавтор исследования, сказал. «Переработка - это качество, которого просто нет у таких материалов, как кремний. Этот эффект концентрирует множество зарядов в очень маленьком объеме. энергоэффективность."
В рамках исследования компания Pazos Outón также произвела первую демонстрацию солнечного элемента с обратным контактом на основе перовскита. Эта единственная ячейка оказалась способной передавать электрический ток на расстояние более 50 микрометров от точки контакта с лазером; расстояние, намного большее, чем предсказывали исследователи, и прямой результат многократной рециркуляции фотонов, происходящих в образце.
Исследователи теперь считают, что перовскитные солнечные элементы могут достичь значительно более высокой эффективности, чем они есть на сегодняшний день.«Тот факт, что мы смогли показать рециркуляцию фотонов, происходящую в нашей собственной клетке, которая не была оптимизирована для производства энергии, является чрезвычайно многообещающим», - сказал Ричард Френд, автор-корреспондент. «Если мы сможем использовать это, это приведет к огромному выигрышу с точки зрения энергоэффективности».