Команда ученых из Университета штата Флорида разрабатывает инновационные способы поглощения и использования инфракрасного спектра солнечного света в фотоэлектрических элементах (именно они превращают свет в электрический ток). В наше время все солнечные панели ориентированы на поглощение видимого спектра, а его нагревающая (инфракрасная) часть не используется для производства электроэнергии. Более того, чем больше инфракрасного излучения, тем ниже эффективность фотоэлементов.
По словам доцента кафедры химии и биохимии и ведущего автора исследования Леи Нинхаус, сейчас они работают над процессом оптимизации эффективности солнечных элементов.
Как передает сайт Phys.org, Ниенхаус и её докторант Сара Вигхолд создали новый подход к работе солнечных элементов, направленный на облегчение процесса преобразования фотонов (частиц, излучаемых Солнцем) в частицы с более высокой энергией.
Аналогичная применяемая сегодня технологическая операция состоит в том, что с повышением частоты преобразования, два фотона с низкой энергией превращаются в один фотон с высокой энергией, излучающий свет в видимом диапазоне. Как правило, в этих устройствах используются металлоорганические молекулы или полупроводниковые нанокристаллы кремния для повышения конверсии фотонов, но Нинхаус и Вигхолд использовали тонкую пленку галогенидов свинца и перовскитов – перспективного материала для солнечных элементов. Перовскит, связанный с углеводородом, называется рубреном и именно он позволяет работать с инфракрасным излучением в терагерцевом диапазоне.
Длины волн в инфракрасном спектре не обладают достаточной энергией, необходимой для возбуждения электронов в типичном солнечном элементе, и поэтому не являются жизнеспособным источником энергии.
«Это означает, что существует большое количество солнечного спектра, который не может быть поглощен солнечным элементом», – сказала Нинхаус. «Мы хотим превратить инфракрасный свет в длину волны, которую мог бы видеть и использовать солнечный элемент».
Чтобы повысить эффективность устройства, исследователи должны были создать свинцово-галоидную пленку перовскита правильной толщины. Они протестировали пленки толщиной 20, 30, 100 и 380 нм. Когда толщина была выше 30 нанометров, процесс преобразования с повышением частоты стал эффективным в условиях прямого солнечного излучения.
Во время проведения экспериментальных исследований, Нинхаус и Вигхолд также зафиксировали некоторые интересные свойства тестируемых устройств.
Так, хотя устройство превращало инфракрасный свет в видимый, перовскит также поглощал часть видимого света, созданного в процессе преобразования с повышением его частоты.
«При использовании перовскитовой пленки необходимо искать компромисс», – сказала Вигхолд. «Больше видимого света, созданного в рубрене, не означает больше света на выходе из устройства». То есть, чем больше рубрен выделяет видимого света, тем больше его же и поглощает.
В результате промежуточных исследований, по словам ученых, требуется более детальная разработка устройства для оптимизации соотношения инфракрасного света и видимого света, выделяемого и поглощаемого устройством.
Заметим, что коэффициент полезного действия используемых сегодня солнечных панелей не превышает 25%, а зачастую находится на уровне 20-22%. Потому внедрение разрабатываемой технологии наверняка даст прибавку к показателю КПД.
Результаты работы ученых опубликованы в двух новых исследованиях: в журнале Matter и Journal of Physical Chemistry Letters.
