Разговор профессора Хэнингтона о науке: рекордная эффективность пластиковых солнечных батарей на 19,3%

May 08, 2023

Поскольку наши источники энергии отходят от ископаемого топлива к более экологически чистым, поиск недорогих солнечных элементов, которые могут обеспечить питание дома или подзарядить электромобиль (или поместить электроэнергию в какую-то сеть, где вы можете позже финансово восстановить оно) происходит с возрастающим рвением.

Только на этой неделе было объявлено о большом скачке в энергоэффективности солнечных элементов органического типа. Как опубликовано в журнале Nature Communications, группа под руководством профессора Ли Ганга из Гонконгского политехнического университета объявила о методе изготовления полимерного солнечного элемента, энергоэффективность которого составляет почти 20%. Это наступает на пятки лучшим на сегодняшний день реальным кремниевым солнечным элементам, разработанным Kaneka Corporation, который имеет зарегистрированный КПД преобразования 26,7%. Этот полимер, состоящий из специальной монокристаллической матрицы, очень дорог в изготовлении, в отличие от полимерного типа, который можно легко изготовить путем нанесения материала на подходящую подложку. Это было в 2016 году и до сих пор удерживает рекорд.

Чтобы понять, как гонконгской команде удалось совершить такой подвиг, нам нужно немного вернуться назад и быстро рассмотреть концепции, связанные с преобразованием солнечного света в энергию. Хотя первая демонстрация фотоэлектрического эффекта Эдмоном Беккерелем в 1839 году использовала электрохимический элемент, вероятно, наиболее знакомым нам типом является кремниевый элемент, стандарт, используемый для перезаряжаемых садовых фонарей и калькуляторов. Все это кремниевые устройства, потому что технология этого элемента хорошо известна, ей уже более семидесяти лет.

Кремниевый солнечный элемент состоит из двух слоев внутри: один называется P-типом, а другой — N-типом. Кремний P-типа производится путем добавления атомов, таких как бор или галлий, у которых на внешнем энергетическом уровне на один электрон меньше, чем у кремния. Поскольку у бора на один электрон меньше, чем требуется для образования связей с окружающими атомами кремния, создается электронная вакансия или «дырка».

Кремний n-типа создается путем включения атомов, у которых на внешнем уровне на один электрон больше, чем у кремния, например фосфора. У фосфора на внешнем энергетическом уровне пять электронов, а не четыре. Хотя кремний имеет четыре электрона, он легко связывается с бором или фосфором в кристаллической структуре. Но поскольку фосфор имеет дополнительный электрон, кристалл там слегка отрицательно заряжен, поскольку этот электрон не участвует в связывании и вместо этого может свободно перемещаться внутри кремниевой структуры. Он становится носителем заряда. Аналогично и в области, легированной бором. Образовавшаяся там «дырка» — на самом деле недостающая связь — также может действовать как носитель заряда, потому что недостающая связь может двигаться и действовать как положительная сущность. Когда область N помещается рядом с областью P, некоторые из этих дополнительных электронов и дырок снова находят друг друга, и образуется обедненная область, лишенная этих мобильных зарядов.

Но вот что интересно в этой ничейной зоне истощения: поскольку атомы бора и фосфора остаются на месте, сторона N-типа зоны истощения теперь содержит положительно заряженные ионы (из атомов фосфора), а сторона P теперь содержит отрицательно заряженные ионы (из атомов бора), и это создает внутреннее электрическое поле, препятствующее дальнейшему смешиванию электронов и дырок. Но когда солнечный свет попадает на PN-переход, электроны из кремния выбрасываются, образуя «дырки». Когда это происходит в электрическом поле обедненной области, поле перемещает электроны в слой n-типа, а дырки — в слой p-типа.

Если соединить внешние области слоев n-типа и p-типа металлической проволокой, электроны будут путешествовать, создавая поток электричества. Типичный кремниевый кристаллический элемент создает напряжение около 0,6 В при ярком солнечном свете и может обеспечить ток силой 1 Ампер для элемента, занимающего площадь обычного мобильного телефона. Чтобы получить более высокое напряжение, вы просто соединяете несколько ячеек последовательно. Средняя стоимость ватта монокристаллического солнечного элемента составляет около 1 доллара.

Если вы посмотрите вниз на серую верхнюю часть солнечного элемента, вы увидите PN-переход, где и происходит все вышеперечисленное.