Ученые построили первый All-Carbon солнечный элемент

Ученые Стэнфордского университета создали первый солнечный элемент, сделанный полностью из углерода, перспективная альтернатива дорогим материалам, используемых в фотоэлектрических устройствах сегодня.

Результаты исследования опубликованы 31 октября интернет-издание журнала ACS Nano.

"Углерод имеет потенциал, обеспечивающий высокую производительность при низкой стоимости", сказал главный автор исследования Zhenan Bao, профессор химической инженерии в Стэнфорде. "Насколько нам известно, это первая демонстрация рабочего солнечного элемента, который имеет все компоненты, сделанные из углерода. Данное исследование основывается на предыдущей работе, проделанной в нашей лаборатории».

В отличие от жестких кремниевых солнечных панелей, которые украшают многие крыши, тонк-пленочный прототип Стэнфорда изготовлен из углеродных материалов. "Возможно, в будущем мы сможем посмотреть на альтернативные рынки, где гибкие углеродные солнечных элементы наносят на поверхность здания, на окна или на машины для выработки электроэнергии," сказал Zhenan Bao.

"Обработка на основе кремния солнечных элементов требует много шагов", объяснил Michael Vosgueritchian, соавтор работы. "Все нашы устройства можут быть построены с использованием простых методов покрытия, которые не требуют дорогостоящих инструментов и машин".

Развитие высокоэффективных солнечных элементов с квантовыми вкраплениями

Исследования показывают, что недавно разработанные солнечные элементы могут вскоре превосходить традиционные фотогальванические технологии. Ученые из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) продемонстрировали первый солнечный элемент с внешней квантовой эффективностью (EQE) превышающей 100 процентов для фотонов с энергией солнечного спектра. (EQE это процент фотонов, которые будут преобразованы в электроны внутри устройства).

Исследователи представят свои выводы на AVS 59-ом Международном симпозиуме и выставке, который будет проходить 28 октября - 2 ноября, в городе Тампа, штат Флорида

В то время, как традиционные полупроводники производить только один электрон от каждого фотона, кристаллические материалы нанометровых размеров, таких как квантовые точки, позволяют обойти это ограничение и разрабатывать перспективные фотоэлектрические материалы. Повышение эффективности приходит из квантовой точки сбора энергии, которые иначе были бы потеряны в виде тепла в обычных полупроводниках. Сумма потерь тепла уменьшается и в результате того, что энергия направляется на создание большего электрического тока.

Используя силу процесса, который называется множественной генерации экситонов (MEG), исследователи смогли показать, что в среднем каждый синий фотон, который поглощается, может генерировать на 30 процентов больше тока, чем это позволяют сделать обычные технологии. MEG работает за счет эффективного расщепления и использования большей части энергии в более высоко-энергетичных фотонах. Исследователи продемонстрировали EQE значение в 114% для фотонов с энергией 3,5 эВ, доказывая возможность этой концепции в рабочем устройстве.

Иосиф Лютер, старший научный сотрудник Национальной лаборатории возобновляемой энергии, считает, что MEG технологии –  правильное направление развития. "С текущими солнечными технологиями элементы по-прежнему слишком дороги, чтобы полностью конкурировать с невозобновляемыми источниками энергии, эта технология использования MEG показывает, что направление в котором ученые и инженеры думают о преобразовании солнечных фотонов в электричество постоянно меняется", сказал Лютер. "С этой технологией есть шанс резко повысить эффективность модуль, который может привести к созданию панели солнечных батарей, что значительно дешевле, чем невозобновляемые источники энергии".

Прозрачные покрытия следующего поколения могли бы улучшить эффективность солнечных фотоэлектрических ячеек.

Эффективность фотоэлектрических элементов, возможно, скоро получит мощный импульс, благодаря следующему поколению прозрачных покрытий изготовленных из наноматериалов, способных сокращать количество света, отраженного от поверхности солнечного элемента.

Материалы, которые могут похвастаться "настраиваемым" коэффициентом рефракции, были разработаны в течение последних нескольких лет, и они показывают огромный потенциал для фотоэлектрических приложений. Профессор E. Fred Schubert факультета электрической, компьютерной и системной инженерии Rensselaer Polytechnic Institute, изучает способы использования этой вновь обретенной управляемости и представит свои выводы на предстоящем AVS 59-ом Международном симпозиуме и выставке, который будет проходить 28 октября - 2 ноября, в городе Тампа, штат Флорида

Коэффициентом рефракции – свойство материала, которое изменяет скорость света, и вычисляется как отношение скорости света в вакууме к скорости света через материал. Среди наиболее фундаментальных свойств оптических материалов, показатель преломления (коэффициентом рефракции) определяет важные оптические характеристики, такие как отражение Френеля, брэгговское отражений, преломление Снелла, дифракции и фазовой и групповой скорости света.