Пробивши бар’єр Шоклі-Квейссера з кріогенними силіконовими сонячними елементами

Сонячні панелі нового покоління: інновації для екстремальних умов

Дослідники з University of Taizhou та University of Delaware на порозі революції в сфері альтернативної енергетики. Вони розробили першу експериментальну сонячну панель, що здолала давню межу ефективності, відому як межа Шоклі-Квайссера, для одноелементних пристроїв. Їхні n-типу монокристалічні кремнієві елементи демонструють ефективність перетворення енергії від 50% до 60% при кріогенних температурах 30-50 К, що майже подвоює рекордні можливості при кімнатних температурах.

Це дослідження кидає виклик традиційній уяві про те, ніби фотогальванічна продуктивність знижується при низьких температурах. Хоча звичайні панелі страждають від заморожування носіїв при температурах нижче 150 К, новий дизайн перетворює цю слабкість на перевагу. Ключовою інновацією є управління гарячими носіями при кріогенних температурах, використовуючи лазери, що генерують мобільні фотонаростки попри загальні тенденції швидкого охолодження. За температур, що нижче 50 К, розслаблена консервація моменту дозволяє ударній іонізації, тому фотони близько 980 нм можуть активувати множинні екситони, збільшуючи зовнішню квантову ефективність понад 140%.

Мікронні панелі менш ніж 3 мікрони завтовшки оптимізовані для 635 нм освітлення, щоб досягти балансу між проникненням та абсорбцією, мінімізуючи ефекти заморожування. Їхня ефективність залишається стабільною навіть при освітленні від 0,01 до 1 сонця, що робить їх ідеальними для різноманітних застосувань – від місячних досліджень до живлення космічних зонд, у місцях, де лише світло зі зірок може бути джерелом енергії.

Потенційні застосування таких інноваційних панелей величезні. Вони можуть живити роверів у постійно затінених місячних кратерах, використовуючи відбите світло, або забезпечувати надійну енергію для суперпровідникової електроніки та квантових пристроїв при екстремально низьких температурах. Дослідники на даний момент працюють над масштабуванням до панелей розміром 4 см² для екологічного тестування під термічним циклом та протонною радіацією з цілю відправки їх на випробування в NASA.

Ідея використання сонячної енергетики в таких екстремальних умовах дає надзвичайні перспективи для майбутнього досліджень всесвіту. Адже розвиток подібних технологій не тільки прогресивний, але й, насправді, нагальний виклик для людства в умовах стрімкої зміни клімату і потреби в екологічно чистих джерелах енергії.