11.6.4 Другие технологии

Термофотоэлектрические элементы

До сих пор наше повествование касалось лишь образования электронно-дырочных пар из света видимой части спектра или света близкого к инфракрасному излучению. Причина этого состоит в том, что спектр солнечного света имеет пик в видимой части спектра. Однако источники тепла и лампы накаливания создают излучение в инфракрасной части спектра с большей длиной волн, и в некоторых случаях очень удобно использовать тепловую энергию, вырабатываемую в результате этих процессов, путем преобразования её в электричество. Это требует использования полупроводниковых материалов с меньшим значением ширины запрещенной энергетической зоны, например, германия. Производятся также фотоэлементы и с более необычной структурой, например, из InAsSbP, где ширина запрещенной энергетической зоны составляет 0,45 – 0,48 эВ. InAsSbP может производиться как материал с проводимостью и n- и p-типа. При этом pn-переход выращивается на подложке из арсенида индия (InAs) [60].

Солнечные элементы на основе материалов с промежуточной шириной запрещенной энергетической зоны / промежуточными энергетическими уровнями

Во всех типах рассмотренных до настоящего момента фотоэлементов поглощение одного фотона приводит к образованию одной электронно-дырочной пары. Если между двумя слоями из обычных полупроводниковых материалов проложить слой из материала с промежуточной шириной энергетической зоны, по всей видимости, этот материал может поглощать два фотона с довольно низкими энергиями и образовывать одну электронно-дырочную пару, энергия которой равна сумме энергий этих двух фотонов с малой энергией. Первый фотон переносит электрон из зоны валентности на промежуточный уровень, в результате чего в зоне валентности образуется дырка, а второй фотон перемещает электрон с промежуточного уровня в зону проводимости. Трудность состоит в том, чтобы подобрать такой материал с промежуточным энергетическим уровнем, который сможет «удержать» электрон до тех пор, пока другой фотон, обладающий подходящей энергией, не упадет на материал фотоэлемента. У этого материала половина состояний/энергетических уровней должна быть заполнена электронами, а половина должна оставаться свободной, чтобы обеспечить возможность переноса электронов. Похоже, лучше всего для практической реализации этой технологии подойдут химические соединения веществ III-V групп. Теоретически, максимально возможная эффективность такого фотоэлемента составляет 63,2% [61].

Многокаскадные фотоэлементы

Если несколько фотоэлементов состыковать таким образом, что фотоэлемент с наибольшей шириной запрещенной энергетической зоны будет наверху, а ниже будут располагаться фотоэлементы с постепенно уменьшающейся шириной запрещенной энергетической зоны, теоретически возможная максимальная эффективность такого устройства может достигать 86,8% [62]. Фотоэлемент площадью 1 см² с 4-мя переходами продемонстрировал КПД, равное 35,4%. В теории, максимальное значение КПД такого фотоэлемента составляет 41,6% [63]. Может быть, когда-нибудь один из читателей настоящего издания (или один из внуков его внуков) и изготовит фотоэлемент, который в реальности покажет максимальное теоретически возможное КПД.

«Горячие» фотоэлементы («ячейки на горячих носителях»)

Потери энергии в фотоэлементах происходят, главным образом, в виде потери тепла, которая возникает при возбуждении электрона и его переходе на уровень, который находится выше нижней части зоны проводимости фотоэлектрического элемента, в результате воздействия фотона, энергия которого больше ширины запрещенной зоны. Обычно электрон опускается до самого низкого имеющегося энергетического уровня в зоне проводимости, а высвобождаемая при этом энергия преобразуется в тепло. Следовательно, если имеется возможность этот процесс предотвратить, тогда КПД фотоэлемента с одним переходом должен приблизиться к КПД многокаскадного фотоэлемента. Для того, чтобы помешать электрону высвободить тепловую энергию, фотоэлемент, например, можно нагреть, в результате чего электрон останется на более высоком энергетическом уровне. Задействованный при этом процесс носит название термоэлектроники и в настоящее время является предметом научных исследований [62].

Оптическое преобразование с повышением и понижением энергии фотона

В качестве альтернативы изменению ширины запрещенной энергетической зоны материала можно изменить значение энергии потока падающих фотонов. Некоторые материалы продемонстрировали способность поглощать два фотона с разными энергиями и затем испускать один фотон с суммарной энергией поглощенных фотонов. Другие материалы, наоборот, могут поглощать один фотон с высоким значением энергии, а затем испускать два фотона с малыми энергиями. Эти явления аналогичны процессам преобразования с повышением и понижением частоты в радиочастотных сетях связи.

Используя оба типа материалов, спектр, падающих на поверхность фотоэлемента фотонов, можно сузить до нужного диапазона, что делает процесс поглощения фотонов солнечным элементом более эффективным. Одним из преимуществ использования такого процесса является то, что понижающие/повышающие оптические преобразователи не обязательно встраивать в фотоэлемент. Единственное, что необходимо, это поместить эти преобразователи между источником фотонов и фотоэлементом. В каскадных фотоэлементах понижающий преобразователь следовало бы поместить перед верхним фотоэлементом, а повышающий нужно было бы внедрить в структуру фотоэлемента перед нижним солнечным элементом.

Органические фотоэлектрические элементы

Еще более необычным по сравнению со всеми рассмотренными выше фотоэлементами является органический фотоэлемент. В таких фотоэлементах электроны и дырки не образуются сразу после поглощения фотона. Вместо этого, падающий на поверхность солнечного элемента фотон образует экситон, который представляет собой связанную электронно-дырочную пару. Для высвобождения зарядов энергия, удерживающая электрон и дырку вместе, должна быть преодолена. Разрыв связи происходит на стыке материалов с высоким электронным сродством и низким потенциалом ионизации [63]. Фотолюминесценция является похожим процессом. И напоследок немного химии: читателю, конечно, будет небезынтересно узнать, что одним из материалов наиболее подходящих для производства органических фотоэлементов является поли {2,5-dimethoxy-1,4-phenylene-1,2-ethenylene-2-methoxy-5-(2-ethyl-hexyloxy)-1,4-phenylene-1,2-ethenylene}, который еще известен под названием M3EH-PPV. А вот будет ли этот материал доминировать на рынке фотоэлектрических устройств, мы сможем узнать еще не скоро. На современном этапе КПД фотоэлементов, изготовленных по этой очень сложной технологии, не превышают 1 %.