Солнечная энергия нового поколения: Японские исследователи достигли прорыва в области BPVE
В обычном солнечном элементе два по-разному легированных полупроводниковых слоя образуют p-n-переход. На их границе раздела возникает внутреннее электрическое поле. Когда свет попадает на элемент, он генерирует электроны и их положительно заряженные аналоги. Электрическое поле быстро разгоняет их в противоположные стороны, создавая поток тока. Однако эта фундаментальная конструкция имеет встроенный физический предел напряжения и эффективности - известный как предел Шокли-Куиссера https://en.wikipedia.org/wiki/Shockley%E2%80%93Queisser_limit. С практической точки зрения, даже в идеальных условиях солнечного света только около трети энергии света может быть преобразовано в электричество.
Именно здесь и проявляется объемный фотоэлектрический эффект (BPVE) вступает в игру. В отличие от традиционных солнечных элементов, он не полагается на p-n-переход или внутреннее электрическое поле. Вместо этого он использует уникальную атомную структуру некоторых кристаллов, в которых отсутствует зеркальная симметрия. Эффект возникает при одновременном нарушении двух симметрий: Во-первых, должна отсутствовать пространственная зеркальная симметрия, позволяющая асимметричному расположению атомов толкать электроны преимущественно в одном направлении под воздействием света. Во-вторых, обратная во времени симметрия должна быть нарушена магнитным материалом, чтобы движение электронов вперед и назад перестало быть эквивалентным. Когда оба условия соблюдены, свет сам по себе может генерировать ток - без перехода и за пределом Шокли-Квайссера.
Исследователи из Киото достигли прорыва в области BPVE - солнечные элементы управляются с помощью магнетизма
Исследовательская группа из Университета Киото под руководством физика Казунари Мацуды впервые разработала солнечный элемент без обычного p-n-перехода, в котором одновременно выполняются оба критических условия:
- Одиночный, атомарно тонкий полупроводниковый слой обеспечивает отсутствие зеркальной симметрии материала.
- Подлежащий магнитный кристалл нарушает обратную симметрию.
Университет Киото объявил о о прорыве 24 июня. Это позволяет полностью реализовать объемный фотоэлектрический эффект (BPVE): свет напрямую гонит электроны в одном направлении, генерируя ток без необходимости создания внутреннего электрического поля. Магнитный кристалл работает как тонко настраиваемая ручка управления - прикладывая внешнее магнитное поле, можно включать или выключать ток, или модулировать его силу. Теоретически, солнечные элементы на основе BPVE могут получать больше энергии из солнечного света, будучи при этом ультратонкими, гибкими и даже настраиваемыми с помощью магнитного поля.
Восьмистраничное исследование, опубликованное в журнале Nature Communicationsи находится в свободном доступе в Интернете. Хотя Университет Киото не назвал сроки коммерциализации, технология находится на ранней стадии разработки. Тем не менее, существуют потенциальные области применения, которые могут появиться в ближайшем будущем - не только в производстве энергии, но и в сенсорных технологиях. Например, ультратонкие пленки BPVE могли бы служить в качестве автономных "мини-электростанций" на этикетках, носимых устройствах или устройствах для мониторинга окружающей среды. Эти пленки не только будут питать датчики температуры, влажности или движения; их магнитная перестраиваемость также позволит определять интенсивность света, магнитные поля и даже поляризацию света - и все это в пределах одного, почти невидимого слоя.
Источник(и)
