Недавнее исследование, опубликованное в журнале Journal of Photonics for Energy, открывает новые возможности для создания более эффективных солнечных элементов с горячим носителем, которые могут превзойти предел эффективности Шокли-Квайссера. Исследователи изучили состояния и их влияние на туннелирование электронов с помощью эмпирического метода псевдопотенциала, который позволяет глубже понять процесс туннелирования и может проложить путь к созданию более эффективных солнечных элементов.
Предел эффективности Шокли-Квайссера — это теоретический предел эффективности солнечных элементов, составляющий около 33,7% для солнечных элементов, работающих при комнатной температуре, который определяет максимальную эффективность преобразования солнечного излучения в электрическую энергию и является фундаментальным ограничением для солнечных элементов, которое не может быть превышено с помощью традиционных методов, но может быть улучшено с помощью новых материалов и технологий.
Солнечные элементы с горячим носителем представляют собой концепцию, которая была предложена несколько десятилетий назад и долгое время рассматривалась как потенциальный прорыв в технологии солнечной энергетики. Однако практическая реализация столкнулась со значительными трудностями, особенно в управлении быстрым извлечением горячих электронов через материальные интерфейсы.
Недавние исследования были сосредоточены на использовании дополнительных энергетических уровней в зоне проводимости для временного хранения горячих электронов перед сбором. Однако эксперименты выявили паразитный барьер на гетероструктурном интерфейсе между поглощающим и экстракционным слоями, который усложняет процесс передачи. Этот барьер усложняет процесс передачи, который происходит в реальном пространстве, а не в импульсном пространстве. Когда энергетические зоны двух материалов не идеально выровнены, электроны могут обойти этот барьер посредством туннелирования, процесса, на который влияют сложные зонные структуры.
Исследователи изучили эти состояния и их влияние на туннелирование электронов с помощью эмпирического метода псевдопотенциала, который вычисляет энергетические зоны в импульсном пространстве и сопоставляет их с экспериментальными данными по критическим точкам. Этот подход позволяет глубже понять физику, которая позволяет извлекать горячие носители между состояниями долин носителей и через гетероинтерфейсы.
Источник: Journal of Photonics for Energy (2024). DOI: 10.1117/1.JPE.15.012502
Результаты исследования показали, что коэффициент туннелирования, который измеряет лёгкость, с которой электроны могут проходить через барьер, экспоненциально велик в структурах индий-алюминий-арсенид (InAlAs) и индий-галлий-арсенид (InGaAs) из-за несоответствия энергетических зон этих двух материалов. Однако ситуация значительно улучшается в системе, включающей материалы AlGaAs и арсенид галлия (GaAs), в которой алюминиевый состав в барьере создает вырождение в дополнительных энергетических уровнях с более низкой энергией.
Коэффициент туннелирования для переноса электронов между AlGaAs и GaAs может достигать 0,5 или даже 0,88, в зависимости от конкретного состава используемого AlGaAs. Это предполагает гораздо более эффективный процесс переноса и потенциал для использования фотоэлектрических элементов долин и реализации солнечных элементов за пределами текущих ограничений одной запрещённой зоны.
В транзисторах с высокой подвижностью электронов, изготовленных из AlGaAs/GaAs, электроны обычно перемещаются из AlGaAs в GaAs. Однако горячие носители в GaAs могут получить достаточно энергии для перехода обратно в AlGaAs, — процесс, известный как перенос в реальном пространстве. Хотя это обычно нежелательно в транзисторах, это полезно для фотоэлектрических элементов, где эффективная передача и хранение горячих носителей имеет решающее значение.
По словам исследователей, «результаты этого исследования могут проложить путь к созданию более эффективных солнечных элементов с горячим носителем, которые могут превзойти предел эффективности Шокли-Квайссера».