Новый способ продления жизни носителей заряда в солнечных элементах, построенных на базе коллоидных нанокристаллов, был предложен группой ученых из Испании. Техника, подразумевающая использование наногетероструктур, состоящих из нано- акцепторов и доноров, позволят добиться высокой эффективности преобразования света в электричество даже в квантовых фотоэлектрических материалах, имеющих сравнительно слабые оптоэлектронные свойства.

Рис. 1. Схематические изображения двух наноструктур, сравнивавшихся
учеными в ходе экспериментов.

Сформированные из раствора неорганические солнечные элементы, принцип действия которых базируется на присутствии коллоидов из полупроводниковых квантовых точек и нанокристаллов, являются весьма многообещающими, поскольку поглощают свет в широком диапазоне длин волн. Это возможно за счет того, что ширина запрещенной зоны в квантовых точках может быть «настроена» для широкого диапазона энергий.

Кроме того, подобные солнечные элементы сравнительно дешевы в производстве. Однако далеко не все материалы могут быть использованы для производства подобных структур. Наиболее простыми примерами «допустимых» материалов являются свинец и кадмий, в нанокристаллах которых свободные носители заряда могут существовать достаточно долго.

Время жизни свободных носителей заряда играет важнейшую роль для материалов, из которых производятся солнечные батареи, поскольку она определяет, насколько много фотогенерированных пар электронов и дырок достигнут электродов в своем путешествии через материал, прежде чем рекомбинируют (соответственно, сколько из них будут участвовать в формировании полезного тока).

Хотя свинец и кадмий соответствуют представлениям ученых о необходимом времени жизни свободных носителей заряда, эти материалы не в полной мере подходят для массового производства солнечных батарей. Эти материалы токсичны, соответственно ученые активно ищут другие, более безопасные вещества, которые можно было бы использовать, даже если их оптоэлектронные свойства окажутся не столь хорошими.

Причем, в последнем случае ученым также необходимо разработать объемную структуру, позволяющую хоть немного улучшить ситуацию.

Работая над решением этой задачи, группа ученых из Institut de Ciències Fotoniques (Испания) сосредоточилась на создании солнечных ячеек из объемных гетеропереходов между акцепторными и донорными фрагментами. Два материала смешивались таким образом, что при воздействии солнечного света, фотогенерированная пара электрон-дырка разделялась на нано-уровне. И в дальнейшем свободные носители заряда путешествовали через устройство по двум совершенно разным путям, что снижало их шансы на рекомбинацию.

В рамках своей работы команда формировала два устройства с p-n переходом, объединив нанокристаллы Bi₂Si₃ (n-типа) с квантовыми точками PbS (p-типа). Одно устройство представляло собой плоский p-n гетеропереход между слоями коллоида из нанокристаллов и квантовых точек. Второе устройство включало также дополнительный «промежуточный» слой, состоящий из нанокомпозита кристаллов и квантовых точек.

Измерения показали, что эффективность преобразования энергии во втором устройстве с объемным слоем нанокомпозита была выше примерно на 4,8%.

Пытаясь разобраться в причинах подобного роста эффективности, научная группа измерила время жизни свободных носителей заряда в обоих устройствах при различной интенсивности излучения. Хотя при малых интенсивностях излучения оба устройства продемонстрировали хорошие результаты, при ее повышении хотя бы до уровня солнечного света, в первом устройстве рекомбинация свободных носителей заряда происходила намного быстрее.

Таким образом,

учеными был предложен еще один действенный и, что самое главное, воспроизводимый коммерчески способ повышения эффективности работы солнечных батарей.

Правда, продемонстрированный результат до сих пор не достиг «рекорда» солнечных элементов, построенных на базе квантовых точек из PbS. Подробные результаты работы ученых были опубликованы в журнале Nature Photonics.