Так ли пределен предел Шокли-Квайссера?

Эффективность промышленных фотоэлектрических модулей и элементов неуклонно растёт в течение последних нескольких лет и приближается к эффективности лучших лабораторных образцов. Но есть фундаментальные термодинамические ограничения, за которые эти устройства невозможно протолкнуть обычными методами. Одним из важнейших таких ограничений является так называемый предел Шокли-Квайссера.

На протяжении десятилетий исследований он считался абсолютным пределом эффективности для прямого  преобразования солнечного света в электричество. Согласно этому пределу в полупроводниках с одним p-n-переходом эффективность преобразования солнечного излучения никогда не может превышать 34%.

Лучшие лабораторные фотоэлементы с одним p-n-переходом обеспечивают эффективность порядка 25,5%-26,1%. У нас не так много возможностей для дальнейшего улучшения эффективности преобразования, о чём свидетельствует тот факт, что КПД лучших устройств на базе кремния увеличился на менее чем 2% за последние двадцать лет. Это связано с тем, что промышленные кремниевые фотоэлементы, как и все фотоэлементы с одним переходом подвержены фундаментальному механизму потери энергии при облучении - термализации.

Полупроводники имеют фиксированную ширину запрещённой зоны, которая определяет, какая часть солнечного спектра может быть преобразована солнечным элементом: фотоны с энергией меньше ширины запрещенной зоны не поглощаются, а энергия фотонов, превышающая ширину запрещенной зоны, теряется в виде тепла. Эта «проблема ширины запрещенной зоны» ведёт к компромиссу при выборе ширины запрещенной зоны между поглощением как можно большего количества света и извлечением (экстракцией) носителей заряда с максимально возможным электрическим потенциалом. Кроме того, неизбежны потери при этой экстракции, связанные с балансом между сбором носителей с высоким электрическим потенциалом и сбором этих носителей до их рекомбинации.

 

Минимальные потери для кремниевого солнечного элемента (ширина запрещенной зоны = 1,1 эВ) и их место в солнечном спектре (верхняя линия). Эти потери учитываются пределом Шокли-Кайссера и представляют собой верхний предел для солнечных элементов, изготовленных из объемных кристаллических полупроводников с одним p-n-переходом. Термализация представляет собой самую большую потерю в этой оценке, и она увеличивается для более голубых участков солнечного спектра.

 

Если энергия падающего фотона превышает ширину запрещенной зоны, фотон может быть поглощён с образованием пары электрон-дырка. Но поглощение фотона с более высокой энергией  также генерирует только одну электронно-дырочную пару, так же, как и в случае поглощения фотона с низкой энергией.  Дополнительная энергия фотонов выше запрещённой зоны теряется из-за термализации. Дело в том, что электрон, образованный в результате воздействия кванта света с энергией выше ширины запрещённой зоны, имеет некоторую избыточную кинетическую энергию. Такие электроны называют «горячими». Двигаясь в веществе, «горячий» электрон теряет энергию при взаимодействии с молекулами среды до тех пор, пока его энергия не станет порядка тепловой, т.е. он термализуется. При этом на любом этапе потери энергии электрон может рекомбинировать с ионом. В этом и заключается один из основных механизмов  электрических потерь в солнечных элементах.

В настоящее время развивается несколько путей преодоления потерь от термализации в стремлении обойти предел Шокли-Квайссера. Наиболее популярными из них являются  технологии производства фотоэлементов с несколькими p-n-переходами, а также множественная экситонная генерация.

Фотоэлектрические элементы с несколькими p-n-переходами (многопереходные фотоэлементы) являются наиболее успешным примером «костыля» для обхода предела Шокли-Квайссера со значениями эффективности выше 45%. Многопереходные фотоэлектрические элементы широко применяются и уже плотно укоренились на рынке фотовольтаики. Однако ключевым их недостатком являются высокие производственные затраты.

При множественной экситонной генерации (МЭГ) фотоэлемент поглощает один фотон из видимого спектра солнечного излучения и производит два или более электронов. Говоря просто, в стандартных фотоэлектрических элементах каждый фотон «выбивает» только один электрон, а избыточная энергия фотона, которой вполне могло бы хватить на большее, расходуется на повышение температуры материала. Благодаря процессу МЭГ мы можем заставить фотоны видимой области спектра высвобождать по два и более электрона. Этот процесс сейчас нашёл активное применение и в фотоэлектрохимическом получении "зелёного" водорода, что не может не радовать.

МЭГ в полупроводниковых нанокристаллах широко исследовался в прошлом десятилетии, но для текущего поколения материалов производительность этого процесса недостаточно высока. Процесс аналогичный МЭГ, называемый делением синглетных экситонов (singlet fission - SF), происходит в органических полупроводниках и показывает большие перспективы на сокращение термализации в будущем. Экситоны — это мнимые частицы (квазичастицы), возникающие в результате поглощения молекулой энергии фотона. Основное, невозбужденное состояние атома считается синглетным. При поглощении фотона атом может перейти в первое возбужденное состояние (триплетное), следующая ступень — снова синглетное, но уже возбужденное состояние (возбуждённое синглетное состояние). Синглетный экситон — это состояние синглетного атомного возбуждения, которое при некоторых расчетах тоже может быть рассмотрено как квазичастица.

В области исследований синглетного деления за последние несколько лет было получено много захватывающих результатов, которые пролили свет на фундаментальную квантовую механику и взаимосвязь структурных функций, определяющих процесс. Теперь перед научным сообществом стоит задача развивать и использовать полученные знания для разработки не только новых материалов, но и новых способов использования процесса синглетного деления для улучшения эффективности преобразователей. Неорганические фотоэлектрические элементы усиленные синглетным делением могут быть реализованы в ближайшем будущем и дадут реальный импульс в развитии фотовольтаики.

Таким образом, сегодня предел Шокли-Квайсера возможно преодолеть двумя вышеописанными способами, но пока лучшие показатели эффективности лабораторных солнечных элементов с одним p-n-переходом составляют 27,8% - для арсенида галлия и 26,7% - для монокристаллического кремния (по данным NREL).

 

Источники:

Фото: Dornbos Sign & Safety

Pin It on Pinterest