Новый солнечный элемент

Каждый год лучи Солнца доставляют на Землю более триллиона киловатт-часов энергии, что в пять тысяч раз превышает сегодняшние потребности человечества. Поэтому производство электричества из солнечного света имеет колоссальные перспективы для получения чистой и возобновляемой энергии.

Сегодня на мировом рынке доминируют кремниевые солнечные элементы, однако их эффективность ограничена. Одна из причин в том, что часть излучения преобразуется не в электричество, а рассеивается в нежелательное тепло.

Если поверх кремния нанести слой органического полупроводника, то коротковолновый свет Солнца поглотится в нем и преобразуется в электронные возбуждения, так называемые экситоны. Затем они распадутся на два низкоэнергетических возбуждения. Их можно передать в сам кремниевый элемент, преобразовать в электрический ток и увеличить выход полезной энергии. Перенос экситонов изучен плохо, но интуитивно понятно, что дефекты и структурные несовершенства на границе раздела приведут к потерям их энергии.

Группа немецких ученых из Падерборнского университета во главе с деканом факультета естественных наук профессором Вольфом Геро Шмидтом (Wolf Gero Schmidt) придумала, как повысить эффективность солнечных элементов из гидрогенизированного кремния с помощью пленки тетрацена. Физики показали, что ненасыщенные химические связи, дефекты на границе раздела пленка — кремний резко ускоряют перенос экситонов. Дефекты возникают при десорбции водорода. В результате на границе образуются оборванные связи кремния. Эти состояния электронов с флуктуирующей энергией и переносят электронные возбуждения в кремний.

Команда Шмидта с помощью университетского суперкомпьютера изучила этот перенос. Расчеты молекулярной динамики границы тетрацен — гидрогенизированный кремний полностью подтвердили роль оборванных связей кремния. Моделирование показало, что новые солнечные элементы будут намного эффективнее существующих. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.