Сучасна фотовольтаїка вже десятиліттями вперлася в жорстку теоретичну стелю ефективності, що обмежує ККД більшості сонячних елементів. Ключова проблема полягає у стрімкій втраті енергії «гарячими» електронами, які розсіюють цінний потенціал, перетворюючи його на марне тепло. Дослідникам з Університету Гронінгена вдалося знайти спосіб сповільнити цей процес у тисячу разів завдяки використанню унікальних властивостей матеріалів на основі олова. Це відкриття прокладає шлях до створення панелей нового покоління, здатних подолати класичний ліміт ефективності.
В основі роботи будь-якої сонячної панелі лежить фундаментальний процес перетворення квантів світла — фотонів — на електричний струм. Коли фотон взаємодіє з напівпровідником, він передає свою енергію електрону, переводячи його у збуджений стан. Найенергійніші фотони породжують так звані «гарячі» електрони. Теоретично ці частинки могли б забезпечити значно вищий вихід електроенергії, проте на практиці вони майже миттєво втрачають надлишковий заряд, віддаючи його кристалічній ґратці матеріалу у вигляді тепла. Цей процес, відомий як термалізація, є головним чинником того, що ефективність стандартних одноперехідних сонячних елементів обмежена межею Шоклі — Квайссера, яка становить приблизно 33%.
Пошук способів утримати енергію гарячих електронів став «святим граалем» сучасної фізики напівпровідників. Останні дослідження матеріалів на основі олова продемонстрували аномальний результат: час охолодження електронів у таких структурах виявився у тисячу разів довшим, ніж у традиційних матеріалах. Це означає, що енергія залишається доступною для вилучення значно довше, що потенційно дозволяє радикально підвищити ККД перетворення сонячного випромінювання.
Аналіз фізичних процесів показав, що настільки вражаючий ефект досягається не одним фактором, а синергією двох незалежних механізмів. Перший із них — «фононне вузьке горлечко» (hot phonon bottleneck). Зазвичай електрони віддають енергію фононам — квантам коливань кристалічної ґратки. Однак у досліджуваному матеріалі середовище нагрівається настільки швидко, що виникає свого роду тепловий затор. Електрони починають повторно поглинати цю теплову енергію, фактично повертаючи її собі, що дозволяє їм довше залишатися в «гарячому» стані.
Другий механізм — ефект Бурштейна — Мосса. Він працює за принципом заповнення енергетичних рівнів. Згідно з принципами квантової механіки, електрони прагнуть зайняти найнижчі доступні енергетичні стани. Коли нижні рівні швидко заповнюються, виникає свого роду «пробка»: іншим гарячим електронам просто немає куди «падати», щоб скинути енергію. Цей процес можна порівняти з посадкою пасажирів у літак: коли передні ряди вже зайняті, іншим доводиться переміщатися вглиб салону, що суттєво сповільнює загальний процес розміщення.
Поєднання цих двох ефектів створює унікальні умови, за яких електронна, фононна та хімічна складові матеріалу працюють узгоджено. При інтенсивному освітленні така система перетворюється на ефективний резервуар енергії, який чинить опір природному прагненню системи до охолодження.
Практична реалізація цього відкриття в комерційних сонячних елементах може призвести до технологічного стрибка. Подолання порогу в 33% ефективності означало б якісну зміну економіки відновлюваної енергетики, дозволяючи отримувати більше електрики з тієї самої площі панелей. Робота, опублікована в журналі ACS Energy Letters, підтверджує, що управління динамікою охолодження електронів є ключем до створення фотоелементів наступного покоління.
Подолання літографічного бар'єру в Китаї
