Eksperimenter viser en dramatisk stigning i solcelleproduktionen

I enhver konventionel siliciumbaseret solcelle, der er en absolut grænse for den samlede effektivitet, delvis baseret på det faktum, at hver foton af lys kun kan slå en enkelt elektron løs, selvom den foton bærede det dobbelte af den energi, der var nødvendig for at gøre det. Men nu, forskere har demonstreret en metode til at få høj-energifotoner, der rammer silicium, til at sparke to elektroner ud i stedet for en, åbner døren for en ny slags solceller med større effektivitet, end man troede var muligt.

Mens konventionelle siliciumceller har en absolut teoretisk maksimal effektivitet på omkring 29,1 procent konvertering af solenergi, den nye tilgang, udviklet i løbet af de sidste mange år af forskere ved MIT og andre steder, kunne bryde igennem den grænse, muligvis tilføje flere procentpoint til det maksimale output. Resultaterne er beskrevet i dag i journalen Natur , i et oplæg af kandidatstuderende Markus Einzinger, professor i kemi Moungi Bawendi, professor i elektroteknik og datalogi Marc Baldo, og otte andre på MIT og ved Princeton University.

Det grundlæggende koncept bag denne nye teknologi har været kendt i årtier, og den første demonstration af, at princippet kunne fungere, blev udført af nogle medlemmer af dette team for seks år siden. Men faktisk oversætter metoden til en fuldstændig, operationel silicium solcelle tog år med hårdt arbejde, Siger Baldo.

Den første demonstration "var en god testplatform" for at vise, at ideen kunne fungere, forklarer Daniel Congreve Ph.D. '15, en alumnus nu på Rowland Institute ved Harvard, der var hovedforfatter i den tidligere rapport og er medforfatter til det nye papir. Nu, med de nye resultater, "vi har gjort, hvad vi havde til hensigt" i det projekt, han siger.

Den originale undersøgelse demonstrerede produktionen af ​​to elektroner fra en foton, men det gjorde det i en organisk fotovoltaisk celle, som er mindre effektiv end en silicium solcelle. Det viste sig, at overførsel af de to elektroner fra et topopsamlingslag lavet af tetracen til siliciumcellen "ikke var ligetil, "Siger Baldo. Troy Van Voorhis, en professor i kemi ved MIT, der var en del af det originale team, påpeger, at konceptet først blev foreslået tilbage i 1970'erne, og siger skævt, at det kun tog 40 år at gøre den idé til en praktisk enhed.

Nøglen til at opdele energien fra en foton i to elektroner ligger i en klasse materialer, der besidder "ophidsede tilstande" kaldet excitoner, Baldo siger:I disse excitoniske materialer, "disse energipakker spreder sig rundt som elektronerne i et kredsløb, "men med helt andre egenskaber end elektroner." Du kan bruge dem til at ændre energi - du kan skære dem i halve, du kan kombinere dem. "I dette tilfælde, de gennemgik en proces kaldet singlet exciton fission, sådan bliver lysets energi delt i to separate, uafhængigt at flytte energipakker. Materialet absorberer først en foton, danner en exciton, der hurtigt gennemgår fission i to spændte tilstande, hver med halvdelen af ​​energien fra den oprindelige tilstand.

Men den vanskelige del var derefter at koble energien over i silicium, et materiale, der ikke er excitonisk. Denne kobling var aldrig blevet gennemført før.

Som et mellemtrin, holdet forsøgte at koble energien fra det excitoniske lag til et materiale kaldet kvantepunkter. "De er stadig excitoniske, men de er uorganiske, "Siger Baldo." Det virkede; det fungerede som en charme, "siger han. Ved at forstå mekanismen, der finder sted i dette materiale, han siger, "vi havde ingen grund til at tro, at silicium ikke ville fungere."

Hvad arbejdet viste, Van Voorhis siger, er, at nøglen til disse energioverførsler ligger i selve overfladen af ​​materialet, ikke i hovedparten. "Så det var klart, at overfladekemien på silicium ville være vigtig. Det var det, der skulle bestemme, hvilken slags overfladetilstande der var." Det fokus på overfladekemien kan have været det, der tillod dette team at lykkes, hvor andre ikke havde, foreslår han.

Nøglen var i et tyndt mellemlag. "Det viser sig at være så lille, lille bånd af materiale ved grænsefladen mellem disse to systemer [siliciumsolcellen og tetracenlaget med dets excitoniske egenskaber] endte med at definere alt. Det er derfor, andre forskere ikke kunne få denne proces til at fungere, og hvorfor vi endelig gjorde det. "Det var Einzinger", der endelig knækkede den møtrik, " han siger, ved at bruge et lag af et materiale kaldet hafniumoxynitrid.

Laget er kun få atomer tykt, eller bare 8 ångstrøm (ti-milliarddeler af en meter), men den fungerede som en "dejlig bro" for de ophidsede tilstande, Siger Baldo. Det gjorde det endelig muligt for de enkelte højenergifotoner at udløse frigivelse af to elektroner inde i siliciumcellen. Det giver en fordobling af mængden af ​​energi, der produceres af en given mængde sollys i den blå og grønne del af spektret. Samlet set, der kunne producere en stigning i effekten produceret af solcellen - fra et teoretisk maksimum på 29,1 procent, op til maksimalt cirka 35 procent.

Faktiske siliciumceller er endnu ikke maksimale, og det er heller ikke det nye materiale, så der skal gøres mere udvikling, men det afgørende trin for effektiv kobling af de to materialer er nu bevist. "Vi mangler stadig at optimere siliciumcellerne til denne proces, "Siger Baldo. For en ting, med det nye system kan disse celler være tyndere end nuværende versioner. Der skal også arbejdes med at stabilisere materialerne for holdbarhed. Samlet set, kommercielle applikationer er sandsynligvis stadig et par år fri, siger teamet.

Andre metoder til forbedring af solcellernes effektivitet har en tendens til at indebære tilføjelse af en anden slags celle, såsom et perovskitlag, over silicium. Baldo siger "de bygger en celle oven på en anden. Grundlæggende vi laver en celle - vi er en slags turboladning af siliciumcellen. Vi tilføjer mere strøm til silicium, i modsætning til at lave to celler. "

Forskerne har målt en særlig egenskab af hafniumoxynitrid, der hjælper det med at overføre den excitoniske energi. "Vi ved, at hafniumoxynitrid genererer ekstra gebyr ved grænsefladen, som reducerer tab ved en proces kaldet elektrisk feltpassivering. Hvis vi kan etablere bedre kontrol over dette fænomen, effektiviteten kan stige endnu højere. "siger Einzinger. Indtil videre har intet andet materiale, de har testet, kan matche dets egenskaber.