Квантовый удар по энергетике

Прорыв в фотогальванике может повысить эффективность солнечных электростанций на 35%, причем стоимость солнечных панелей не возрастет. Эффективно конкурировать с традиционными электростанциями позволят полупроводники с квантовым точками.

Ведущий американский разработчик полупроводниковых солнечных фотоэлементов Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (NREL), финансируемая министерством энергетики США, совершила прорыв в фотогальванике, создав фотоэлектрическую ячейку с показателем квантовой эффективности, превышающим 100%: число электронов, протекающих через выходной контур такой ячейки, заметно превышает число входных фотонов определенной частоты, соответствующей высокоэнергетическому участку спектра солнечного света.

Показатель квантовой эффективности – ключевая характеристика фотоэлемента. В конечном итоге именно от него зависит КПД полупроводниковых устройств, преобразующих энергию солнечных фотонов в электрическую.

До настоящего момента никому не удавалось создать фотоячейку, квантовая эффективность которой в спектре солнечного излучения превышала бы 100%.

Исследовательской группе NREL, впервые преодолевшей стопроцентный порог и доведшей показатель квантовой эффективности до 114%, это удалось.

Сделан, таким образом, еще один важный шаг, приближающий создание промышленных фотоэлементов для солнечных электростанций следующего поколения, которые смогут составить серьезную рыночную конкуренцию электрогенераторам на ядерном и ископаемом топливе.

Результаты своих экспериментов группа изложила в статье под пространным названием «Пиковый показатель квантовой эффективности внешнего фототока превысил 100 процентов в фотопреобразователе на квантовых точках в процессе многоступенчатого генерирования экситонов (МГЭ)», опубликованной в сегодняшнем выпуске Science. Среди ее авторов значатся доктор Артур Нозик и Мэтью Берд, давно известные своим исследованиями эффекта МГЭ в полупроводниках с квантовыми точками.

Многоступенчатое генерирование экситонов, или МГЭ, – наблюдаемый в полупроводниках эффект, при котором один поглощенный фотон продуцирует более одной электрон-дырочной пары, или экситона. Экситон – мигрирующая по кристаллу полупроводника квазичастица – связанное состояние электрона и «дырки» (места, не заполненного электроном).

Еще в 2001 году Артур Нозик впервые предсказал, что МГЭ в квантовых точках полупроводника может протекать с большей эффективностью, чем в его основном теле.

Собственно квантовые точки представляют собой микроскопические (1–20 нм) кристаллики полупроводникового материала. В этих нанометровых точках поведение электрона начинает определяться квантовыми эффектами, которые могут существенно изменить электрические свойства полупроводникового элемента. Например, «попавшие в плен» квантовой точки электроны могут скачкообразно перескакивать с одного уровня энергии на другой (аналогично атомам), а каждый такой переход будет сопровождаться излучением фотона. Такие точки можно использовать как люминофоры, и первые прототипы дисплеев, получивших название QD-LED дисплеев, на их основе уже созданы.

В случае с фотоэлементами на полупроводниках с квантовыми точками вступает в действие другой эффект: было установлено, что при добавлении в полупроводник микрокристаллов соотношение между числом фотонов, поглощаемых смешанным полупроводником, и числом возникающих электрон-дырочных пар заметно увеличивается. Эффект МГЭ на квантовых точках открыт пока что чисто эмпирически, его объяснение с точки зрения квантовой теории пребывает пока что в стадии гипотез.

Как бы то ни было, внедряя в полупроводник квантовые точки, уже удалось достигнуть значительного увеличения энергоэффективности фотоэлементов. Как сообщает группа NREL, достигнуть показателя в 114% удалось с помощью многослойного фотопреобразователя на основе селенида свинца, «обработанного этанидитолом и гидразином».

Каков может быть эффект от промышленного применения этой технологии?

Тот же Артур Нозик, рассматривая в 2006 году «идеальное» решение на основе МГЭ в полупроводниках с квантовыми точками, пришел к выводу, что использование таких фотоэлементов может увеличить КПД солнечных электростанций, работающих на обычных полупроводниках, на 35% (КПД современных промышленных фотоэлементов, используемых в солнечных электростанциях, колеблется в районе 20%, в отдельных случаях достигая 40%).

Важно, что производство фотоэлементов, работающих на основе полупроводников с квантовыми точками, не будет сопряжено с необходимостью разрабатывать и внедрять принципиально новые технологии и материалы

(как уже продемонстрировали производители дисплеев), так что цена новых высокоэффективных солнечных панелей третьего поколения не ударит по карману потребителей.