ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ НЕТРАДИЦИОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭНЕРГИИ

СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ, ОЧУВСТВЛЕННЫЕ КРАСИТЕЛЯМИ

     В традиционных солнечных элементах материал поглощающего слоя должен быть весьма чистым, однако требования к нему можно значительно снизить, если осуществлять поглощение в направлении ортогональном к падающему свету. На основе таких систем изготовлены опытные СЭ с кпд 10%, однако для типичных образцов с большой площадью кпд составляет 3 - 5% и параметры образцов изменяются со временем. Свойства таких поглощающих структур задаются используемыми в них наноструктурами и необходимо выполнение значительных исследований в этом направлении, чтобы получить двух- и пятикратное увеличение их эффективности, при повышении их стабильности и сохранении низкой стоимости.
     Толщина поглощающего слоя задается свойствами используемого полупроводника, например, для Si для того, чтобы полностью поглотить падающее солнечное излучение, она должна быть 100 мкм и 1–3 мкм для GaAs. При этом материал должен быть чистым и обладать совершенной структурой, чтобы возбужденные носители заряда прошли необходимое для их собирания расстояние не прорекомбинировав. Длина пробега фотонов задает минимальную чистоту и стоимость, которые необходимы для обеспечения нужной длины собирания носителей. Применение наноструктурированных и нанопористых материалов позволяет собирать носители в направлении ортогональном к направлению падения излучения, как это показано на левом рисунке. Такой подход позволяет обеспечить сравнительно высокую эффективность преобразования излучения при использовании сравнительно дешевых материалов, не обладающих высокой чистотой. Такой подход реализуется в мезаскопических солнечных элементах, очувствленных красителями (левый рисунок). В СЭ использована пористая пленка TiO2 состоящая из хаотически расположенных наночастиц. Прозрачная пленка покрывается чрезвычайно тонким слоем, поглощающим свет. При поглощении света в очувствляющем слое возникает электронно-дырочная пара. Электрон инжектируется в окисел и поглощающая свет частица заряжается положительно. Этот заряд нейтрализуется электронами, поступающими из заполняющей поры среды.
     Одна из особенностей такой системы преобразования света состоит в том, что поскольку электронно-дырочные пары генерируются только в поверхностном слое, возможно их быстрое разделение, исключающее объемную рекомбинацию. Однако поверхностная рекомбинация в таких структурах не исключается и свойства поверхности должны тщательно контролироваться. Изготовление таких структур сравнительно простое. В настоящее время на них уже достигнута эффективность преобразования солнечного излучения 11% и ожидается, что в ближайшее время она будет увеличена до 20%.
      Используемые в СЭ с красителями пленки состоят из хаотических пор, в которых беспорядочно разбросаны наночастицы. Разупорядоченность приводит к медленным транспортным процессам и к тому, что не вся внутренняя поверхность покрыта сенсибилизирующим материалом. К тому же доступ высоковязкой среды переноса затруднен в поры и не все они могут интенсивно участвовать в процессе фотопреобразования. Разработка упорядоченной наносистемы с повышенным поглощением в красной области должно способствовать повышению эффективности преобразователей этого типа.
        На правом рисунке показан четырехслойный тонкопленочный СЭ с мезоскопическим окислом. Каждый из слоев рассчитан на поглощение излучения в определенном спектральном диапазоне. Расчетный кпд такого СЭ близок к 50%. Следует отметить, что теория солнечных элементов с очуствляющими слоями находится в разработке и еще предстоит определить фундаментальные критерии, которые ограничивают эффективность преобразователей этого типа.
Next