Физики из Университета Падерборна использовали сложное компьютерное моделирование для разработки новой конструкции значительно более эффективных солнечных элементов, чем доступные ранее. За повышение эффективности отвечает тонкий слой органического материала, известного как тетрацен. Результаты теперь опубликованы в журнале Physical Review Letters.
«Годовая энергия солнечной радиации на Земле составляет более одного триллиона киловатт-часов и, таким образом, превышает глобальную потребность в энергии более чем в 5000 раз. «Поставка чистой и возобновляемой энергии . Кремниевые солнечные элементы, используемые для этой цели, в настоящее время доминируют на рынке, но имеют пределы эффективности», — объясняет профессор доктор Вольф Геро Шмидт, физик и декан факультета естественных наук Университета Падерборна. Одна из причин этого заключается в том, что часть энергии коротковолнового излучения преобразуется не в электричество, а в нежелательное тепло.
Шмидт объясняет: «Чтобы повысить эффективность, кремниевый солнечный элемент может быть снабжен органическим слоем, например, изготовленным из полупроводникового тетрацена. Коротковолновый свет поглощается в этом слое и преобразуется в высокоэнергетические электронные возбуждения , поэтому -называемые экситонами. Эти экситоны распадаются в тетрацене на два низкоэнергетических возбуждения. Если эти возбуждения удастся успешно перенести в кремниевый солнечный элемент, их можно будет эффективно преобразовать в электричество и увеличить общий выход полезной энергии».
Решающий прорыв в области быстрой передачи энергии
Передача возбуждения тетрацена в кремний исследуется командой Шмидта с использованием сложного компьютерного моделирования в Падерборнском центре параллельных вычислений (PC2), высокопроизводительном вычислительном центре университета. В настоящее время достигнут решающий прорыв: в совместном исследовании с доктором Марвином Кренцем и профессором доктором Уве Герстманном из Университета Падерборна ученые показали, что особые дефекты в виде ненасыщенных химических связей на границе раздела тетраценов пленка и солнечный элемент резко ускоряют передачу экситонов.
Шмидт отмечает: «Такие дефекты возникают во время десорбции водорода и вызывают состояния электронного интерфейса с флуктуирующей энергией. Эти флуктуации переносят электронные возбуждения из тетрацена в кремний, как лифт».
Подобные «дефекты» солнечных батарей на самом деле связаны с потерями энергии. Это делает результаты троицы физиков еще более поразительными.
«В случае с кремниевым тетраценовым интерфейсом дефекты необходимы для быстрой передачи энергии. Результаты нашего компьютерного моделирования поистине удивительны. Они также дают точные указания для разработки нового типа солнечных элементов со значительно увеличенной эффективностью», — констатирует Шмидт.