Ученые из Университета ИТМО, Института имени Макса Планка и Белорусского государственного университета обнаружили новый материал для солнечных ячеек, дающих необычно большой для подобных систем «выход» (квантовую эффективность преобразования). При попадании одной частицы света этот показатель составил 2500% (при обычных максимально возможных 100%). О причинах такого эффекта и о его возможном применении в энергетике сообщается на страницах журнала Advanced Materials. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда (РНФ).
В основе солнечной энергетики лежит преобразование солнечного света в электричество. При попадании солнечного луча на фотоэлементы батареи, их поверхность бомбардируется фотонами (квантами света). Фотоны выбивают избыточные электроны, в результате чего возникает электрический ток. Это становится возможным благодаря особому покрытию солнечных батарей, где искусственным образом создается дефицит электронов на одном уровне и избыток — на другом. С разными материалами этот процесс протекает с различной эффективностью, что вынуждает ученых опытным путем искать покрытия с максимальным «выходом».
«Наше новое исследование связано с энергетикой, а именно с превращением энергии света в электричество на солнечных элементах. Для такой конверсии используется множество полупроводниковых систем с различными параметрами. Действуя методом проб и ошибок, мы испытываем различные материалы. Наша задача — найти фотокатализатор, активируемый видимым светом, чтобы его можно было использовать в биологических системах. Кроме того, изготавливаться это вещество должно простым и дешевым методом», — рассказала соавтор статьи Екатерина Скорб, кандидат химических наук, профессор кафедры химии и молекулярной биологии Университета ИТМО.
Ученые работали с одним из таких перспективных материалов — наноструктурированным оксисульфидом висмута. Так как слоистые пленки из этого вещества не меняют свойств при использовании на поверхностях с большой площадью (в отличие от многих аналогичных материалов), их можно использовать на массивных панелях. Кроме того, эти пленки отличаются низкой токсичностью, низкой ценой, их можно «выращивать» на различных веществах. Когда ученые измерили выход энергии с этого вещества стандартными фотоэлектрохимическими методами, они увидели большие показатели: квантовая эффективность преобразования – количество носителей заряда, которое произведет один фотон, – составила до 2500%.
Падающий на солнечный преобразователь фотон должен вызвать рождение экситона — квазичастицы, состоящей из электрона и электронной «дырки», то есть отсутствия данной частицы. Затем, в зависимости от конструкции системы, либо электроны, либо «дырки» создают выходной ток (ток, который создается в результате кажущегося движения «дырки», называется «дырочным»). Так как один фотон может вызвать рождение более одной электронно-дырочной пары, то квантовая эффективность может превышать 100%, при этом не нарушая закон сохранения энергии.
Согласно гипотезе ученых, гигантская эффективность определяется уменьшением сопротивления пленки оксисульфида висмута при освещении, что позволяет носителям заряда из внешней цепи участвовать в окислительно-восстановительных реакциях в растворе. Аномально высокая фотоэлектрохимическая активность, то есть интенсивность преобразования солнечной энергии в химическую и электрическую энергию, а также ширина запрещенной зоны, подходящая для преобразования солнечного света, говорят о том, что фотоэлектроды из оксисульфида висмута перспективны для нового поколения «солнечных ячеек». Ширина запрещенной зоны, то есть диапазон недоступных для электронов энергий в твердом теле, зависит от состава вещества. Фотон с энергией меньше этой ширины не сможет породить экситон. В исследуемом веществе ширина составляет 1,38 эВ, а энергия фотонов видимого света — 2–3 эВ, что позволяет пленкам из оксисульфида висмута эффективно поглощать свет видимого диапазона и преобразовывать его в электрический ток.
«Сейчас мы работаем над тем, как можно использовать такой гигантский выход. Сам эффект настолько интересный, что редакция журнала Advanced Materials поместила изображение из статьи на обложку номера. Мы надеемся, что наше открытие привлечет внимание многих ученых. По значимости оно, возможно, сопоставимо с перовскитными ячейками», — отметила Екатерина Скорб.
