Солнечный потолок треснул
Следите за новостями по этой теме!
Подписаться на «Рифы и пачки / Твоя культура»
Учёные из Университета Гронингена в Нидерландах выяснили, почему новый материал для солнечных панелей способен удерживать энергию «горячих» электронов примерно в тысячу раз дольше, чем обычные фотоэлектрические материалы. Это открытие может помочь обойти давно известный физический предел эффективности солнечных элементов — около 33% преобразования солнечного света в электричество.
Солнечная панель работает так: частицы света, фотоны, передают энергию электронам в материале и переводят их в более высокое энергетическое состояние. Фотоны с большой энергией создают так называемые «горячие» электроны. Теоретически именно они могли бы дать больше электричества, однако почти сразу остывают и отдают избыток энергии в виде тепла. Пока это тепло не удаётся вовремя забрать, потенциальная прибавка к эффективности просто исчезает в окружающей среде.
Новое исследование посвящено перспективному материалу на основе олова. Ранее эксперименты показали, что он удерживает тепло «горячих» электронов примерно в тысячу раз дольше обычного. Но у специалистов не было единого объяснения, какой именно механизм позволяет материалу так долго сохранять энергию. Команда Гронингена объединила компьютерное моделирование с экспериментальными измерениями, чтобы разобраться в свойствах материала. Такое понимание необходимо, если учёные хотят улучшить технологию и однажды довести её до коммерческого применения.
Анализ показал: необычный результат возникает из-за совместной работы двух эффектов.
Первый — эффект «фононного узкого места». Фононы можно представить как коллективные колебания атомов в кристаллической решётке, то есть в упорядоченной структуре материала. Когда окружающая среда вокруг электронов быстро нагревается, электроны снова поглощают часть этой тепловой энергии. Получается своеобразная ловушка: тепло не успевает уйти, и электроны дольше остаются «горячими».
Второй — эффект Бурштейна — Мосса. По мере охлаждения электроны занимают самые низкие доступные энергетические состояния. Эти места быстро заполняются, поэтому другим горячим электронам становится сложнее сбрасывать энергию. Исследователи сравнивают это с самолётом: первые пассажиры занимают места впереди, а тем, кто приходит позже, приходится пробираться в хвост салона.
Каждый из эффектов был известен науке раньше. Новым стало понимание того, что именно их одновременное действие в оловянном материале обеспечивает необычно долгое охлаждение горячих электронов. Причём для этого нужны подходящие электронные, фононные и химические свойства, а также условия, при которых в материале одновременно находится много возбуждённых электронов.
Учёные считают, что такой механизм может помочь будущим солнечным элементам превысить ориентир в 33% и эффективнее превращать солнечный свет в чистую электроэнергию. Однако речь пока идёт о научном результате, а не о готовых панелях для крыш: до масштабного производства ещё предстоит проверить стабильность материала, стоимость технологии и её работу в реальных условиях. Исследование опубликовано в журнале ACS Energy Letters.
PEREC.RU
Статья рассказывает об исследовании Университета Гронингена в Нидерландах, посвящённом повышению эффективности солнечных панелей. Согласно давно известному физическому ограничению, традиционные солнечные элементы способны преобразовывать в электричество лишь около 33% энергии падающего солнечного света. Главная причина потерь — быстрое охлаждение «горячих» электронов, которые возникают под действием наиболее энергичных фотонов.
Фотоны передают энергию электронам и переводят их в возбуждённое состояние. Горячие электроны теоретически могут производить больше электричества, однако почти сразу отдают избыток энергии в виде тепла. Если это тепло не удаётся захватить, дополнительный энергетический потенциал теряется.
Исследователи изучили перспективный материал для солнечных панелей на основе олова. Ранее было установлено, что он способен удерживать тепло горячих электронов примерно в тысячу раз дольше, чем обычные материалы. До сих пор специалисты спорили о том, какой механизм отвечает за такой эффект. Новая работа объединила компьютерное моделирование и экспериментальные измерения, чтобы определить ключевые свойства материала и понять, можно ли в будущем масштабировать технологию для коммерческого использования.
Учёные установили, что длительное удержание энергии связано с одновременным действием двух явлений. Первое — эффект фононного узкого места. Фононы представляют собой коллективные колебания атомов в кристаллической решётке. Когда среда вокруг электронов быстро нагревается, электроны повторно поглощают тепловую энергию, поэтому остывают медленнее.
Второе явление — эффект Бурштейна — Мосса. При охлаждении электроны быстро занимают нижние доступные энергетические состояния. После их заполнения другим горячим электронам сложнее сбрасывать энергию, что дополнительно замедляет охлаждение.
Оба эффекта уже были известны по отдельности, но новое исследование показало, что именно их сочетание обеспечивает необычно долгие времена охлаждения в оловянном материале. Для работы механизма необходимы одновременно подходящие электронные, фононные и химические свойства, а также условия высокой концентрации возбуждённых электронов.
Результаты могут помочь создать солнечные элементы, способные превысить предел эффективности в 33% и производить больше чистой электроэнергии. При этом технология пока находится на стадии научного исследования. До коммерческого применения необходимо проверить стабильность материала, его стоимость, долговечность и пригодность к масштабному производству. Работа опубликована в журнале ACS Energy Letters.
