Limit je částečně dán skutečností, že každý foton tvořící záření dopadající na článek dokáže uvolnit pouze jeden elektron a to i v případě, kdy má dvojnásobek potřebné energie. Vědci z americké MIT nyní představili inovativní metodu, která umožňuje jednomu fotonu „vyrazit“ dva elektrony, a otevírá tak cestu k novému typu článků s vyšší maximální účinností, než kterou se vědci doposud počítali.
Zatímco běžné křemíkové články mohou teoreticky dosáhnout účinnosti až 29,1 %, vědci z MIT nyní představili novou metodu, která by mohla tuto hranici prolomit a posunout ji o několik procentních bodů.
Základní koncept nové technologie je znám již celá desetiletí, přičemž to, že by mohl fungovat, někteří členové týmu z MIT demonstrovali již před šesti lety. Převedení metody do praxe, tedy plně funkčního křemíkového solárního článku si však vyžádalo roky tvrdé práce.
Původní studie sice demonstrovala produkci dvou elektronů z jednoho fotonu, využívala však organický fotovoltaický článek, který ve srovnání s křemíkovými články dosahuje nižší účinnosti. Tento koncept byl poprvé navržen již v 70. letech minulého století, ale proměna v praktickou aplikaci podle vědců „trvala jen 40 let“.
Klíč k rozdělení energie jednoho fotonu na dva elektrony spočívá ve skupině materiálů, které mají „excitované stavy“, takzvané excitony.
„V těchto excitonických materiálech se tyto balíčky energie šíří jako elektrony v obvodu ale s docela odlišnými vlastnostmi než elektrony. Můžete je použít ke změně energie – můžete je rozpůlit, můžete je kombinovat,“říká Marc Baldo, profesor elektrotechniky a informatiky na MIT, který spolu s dalšími 10 vědeckými pracovníky stojí za výzkumem.
V tomto případě je klíčovým proces nazývaný singletové štěpení, což je způsob, jak se energie dopadajícího záření rozděluje na dva samostatné, nezávisle pohyblivé „pakety“ energie. Materiál nejprve absorbuje foton za vytvoření excitonu, který je následně rychle rozštěpen do dvou excitovaných stavů, z nichž každý má polovinu energie původního stavu.
Zásadním krokem však bylo tento proces provést u křemíkového článku, jelikož samotný křemík není excitonický. To se podle vědců ještě nikomu doposud nepodařilo. Jako mezikrok vědci zkusili energii z excitonické vrstvy přenést do malého nanokrystalu, takzvané kvantové tečky.
„Pořád jsou excitonické, ale jsou anorganické. Fungovalo to, fungovalo to bezvadně. Neměli jsme žádný důvod domnívat se, že by křemík nefungoval,“ dodává Baldo.
Řešením se nakonec ukázalo využití tenké mezivrstvy z oxynitridu hafnia, která fungovala jako most mezi vrstvou excitonického tetracenu a křemíkovým článkem. Ta umožnila fotonům s dostatečnou energií uvolnit ze solárního článků dva elektrony. Díky tomu je podle vědců možné zdvojnásobit objem energie uvolněný fotony z modré a zelené části spektra. Ve výsledku by tak teoretická účinnost křemíkových článků měla vzrůst z 29,1 na 35 %.
Svého teoretického limitu zatím nedosahují ani běžné křemíkové články, nový materiál má před sebou rovněž dlouhou cestu. Jedním z přínosů je například potenciální zmenšení tloušťky současných článků, podle vědců je však potřeba zapracovat na stabilizaci materiálů pro prodloužení jejich životnosti. Na komerční aplikace si bude nutné ještě několik let počkat.
Zdroj: oenergetice.cz
Komentáře