Знайдено напівпровідник, який може допомогти вирішити одну з головних проблем сонячних панелей

Вчені з Оксфордського університету разом із колегами з Китаю повідомили про вирішення головної проблеми, що обмежує ККД сонячних панелей, — подолання компромісу між світлопоглинальною здатністю матеріалу та швидкістю втрати заряджених частинок: чим краще матеріал поглинає фотони, тим швидше вибиті електрони рекомбінують з дірками і перестають брати участь у генерації струму.

Джерело зображення: ІІ-генерація ChatGPT/3DNews

Вчені досліджували проблему на основі експериментів із сульфідом вісмуту (Bi₂S₃). Як згодом з'ясувалося, цей напівпровідник здатний поєднувати сильне поглинання світла з більш повільною втратою електричних зарядів, що може розірвати порочне коло. У сонячному елементі електрони та дірки необхідно розділити та зібрати до того, як вони знову з'єднаються. В іншому випадку, під час рекомбінації енергія, яку можна було б перетворити на електрику, буде втрачена.

Для вивчення динаміки зарядів вчені виготовили плівки Bi₂S₃ товщиною близько 150 нм методом термічного випаровування та віджигали їх при 250 °C протягом 30 хвилин в атмосфері азоту. Зразки збуджували лазерними імпульсами тривалістю 35 фс з енергією фотонів 1,55 еВ, а рух і зникнення носіїв заряду відстежували за допомогою методу надшвидкої терагерцової спектроскопії. Вимірювання проводили при температурах від 4 до 295 К. Експерименти показали незвичайну поведінку речовини: при охолодженні рекомбінація електронів і дірок сповільнювалася, тоді як у багатьох інших напівпровідниках вона, навпаки, прискорювалася.

Вчені з'ясували, що секрет сульфіду вісмуту полягає в особливому розташуванні енергетичних рівнів. Матеріал добре поглинає сонячне світло, але при цьому частина електронів і дірок опиняється в станах, де вони повільніше з'єднуються один з одним. Різниця в енергії між цими станами становить всього близько 40 меВ. Завдяки цьому при кімнатній температурі заряди довше зберігаються в матеріалі, а розрахунки показують, що швидкість їх рекомбінації може бути приблизно на 75 % нижчою, ніж у звичайних напівпровідниках.

Дослідники вважають, що властивість сульфіду вісмуту сповільнювати рекомбінацію зарядів слід шукати й у інших сполук, вивчивши відповідні бази даних. Відкриття дозволяє визначити набір ознак, за якими можна шукати найбільш перспективні сполуки для ефективного перетворення сонячного світла на електрику. Це поки що не відповідь на питання, як підвищити ККД сонячних панелей, але досить перспективний шлях до вирішення цієї задачі.

Хочеш дізнатися більше — читай відгуки