Гибридные солнечные батареи показали запредельную эффективность
Разработанные в Кембриджском университете
(Великобритания) новые фотоэлектрические ячейки способны поднять
квантовую эффективность солнечных батарей на совершенно новый уровень.
Как утверждают учёные из группы сэра Ричарда Френда и Нила Гринхама,
внутренняя квантовая эффективность их гибридных батарей достигает
немыслимой величины в 50%.
Если вы ещё не прониклись величием момента («А где же другая половина?»), поспешим заметить, что, согласно физике солнечных батарей на основе кремния (уточнение задаёт ширину p-n зоны перехода в полупроводнике), существует предельное значение максимальной квантовой эффективности, равное 33,7% (Shockley-Queisser limit).
Вы вправе ответить на это, что значение справедливо только
для одной p-n зоны, и если слоёв в батарее бесконечно много, то
показатель устремится к 86%.
Это так, но в реальном мире всё конечно, и обиднее всего то, что на
пути прогресса всегда стоит его цена. Оттого производители, которых
больше всего интересует ценник на товаре, не увеличивают количество
слоёв, а уменьшают. А проблему эффективности приходится решать какими-то
иными способами, и в результате рекордные цифры квантовой эффективности не превышают 25%,
и это считается безусловной победой и позволяет с оптимизмом смотреть в будущее ревнителям «зелёной» энергии.
 Рис. 1. Новая гибридная солнечная батарея (фото Department of Physics / University of Cambridge).
Выдающимся учёным, сотрудникам физического факультета Кембриджского
университета Нилу Гринхаму и сэру Ричарду Френду не привыкать жить и
работать под девизом «Think different». Используя накопленный багаж
знаний в оптоэлектронике, наноматериалах и органических проводниках, им
удалось разработать новый гибридный тип солнечных батарей.
Традиционные батареи способны абсорбировать только часть солнечного
света, а бóльшая часть световой энергии (особенно высокоэнергетичные
фотоны синего спектра) теряется в виде тепла. Именно неспособность
традиционных солнечных батарей абсорбировать фотоны с любой длиной волны
в диапазоне от ближнего УФ до ближнего ИК и есть одна из причин
существования предела Шотки — Квизера в 34% от всей доступной нам
энергии светила.
 Рис. 2. Новая гибридная солнечная батарея, принципиальная схема (иллюстрация Bruno Ehrler / University of Cambridge).
Гибридные батареи умеют не только успешно абсорбировать красный свет, используя слои из наночастиц
сульфида свинца (PbS), но и получать от фотонов видимого спектра
(включая синие) больше энергии, резко увеличивая поток выходного
электричества.
Обычно солнечная батарея производит один электрон на каждый полезно
абсорбированный фотон. Но в гибридных решениях, благодаря использованию
пентацена (органический полупроводник, который абсорбирует видимый свет,
включая синюю область спектра, а потому сам он очень черный) и
особенностям интерфейса между неорганическим материалом PbS и
органическим пентаценом, происходит генерация сразу двух электронов на
каждый поглощённый фотон высокой энергии (видимый спектр, включая синюю
область).
Таким образом,
гибридный материал позволяет получать примерно в два раза больше
электричества от видимого света, включая синий, и одновременно
конвертировать фотоны даже с самой низкой энергией (ИК). Всё вместе это
даёт возможность подтянуться к беспрецедентному уровню внутренней квантовой эффективности в 50% от всей доступной солнечной энергии.
И два слова о недостатках предложенного решения, на которые авторы, понятно, пока внимания не обращают.
Во-первых (и во-вторых и так далее), это пентацен,
то есть яркий представитель полициклических ароматических углеводородов.
А раз так, то это очень сильный канцероген, мутаген и тератоген
одновременно. Крупнотоннажное производство (можно и из нефти выделять,
но там на всех не хватит) включает несколько стадий, на каждой из
которых исходные вещества, продукты реакции и побочные продукты —
канцерогены, мутагены и тератогены, один круче другого. А понадобится
пентацена много. Где и кто это будет производить? И синтез начинать тоже
с чего-то надо… Наиболее простой и доступный начинается с производного
бензола (тоже канцероген, да ещё и летучий), но самое главное в том, что
основной источник бензола — это сырая нефть. Нас пугают: нефть
кончится, и тогда солнечная энергетика (наравне с другими
альтернативами) будет вашим спасением. Может быть, но только не такая,
которая завязана на использование ароматической органики. А значит,
независимый от нефти кремний, хоть и выглядит сегодня гадким утёнком в
сравнении с органическим/неорганическим гибридом, завтра станет
незаменимым именно из-за своей независимости от нефти. Наконец, сам
пентацен очень склонен к окислению кислородом воздуха в условиях
УФ-облучения (окисление синглетным кислородом сопряжённых систем). А
где, как не в солнечной батарее, встретятся вместе пентацен, кислород и
УФ солнечного света! Значит, долговечность гибридной батареи на основе
пентацена вызывает очень большие сомнения, как ее ни защищай…
Результаты работы во всех подробностях представлены в статье:
Bruno Ehrler, Mark W. B. Wilson, Akshay Rao, Richard H. Friend, and Neil C. Greenham Singlet Exciton Fission-Sensitized Infrared Quantum Dot Solar Cells. – Nature Letters. – 012. – 12 (2). – pp. 1053–1057; DOI: 10.1021/nl204297u.
- Источник(и):
1. Кембриджский университет 2. compulenta.ru - http://www.nanonewsnet.ru/news/2012/gibridnye-solnechnye-batarei-pokazyvayut-zapredelnuyu-effektivnost
|
