興奮状態！ -太陽電池技術の飛躍的進歩

過去の太陽電池は、その効率に限界がありました。従来のシリコンベースの太陽電池では、セルの表面に当たる各光子が1つの電子を放出します。より大きなエネルギーを持つ光子は、追加の電子を引き込むことができないため、違いはありません。研究者たちは今、高エネルギーの光子を取得して、1つではなく2つの電子を放出する新しい方法を考え出しました。これにより、新しいタイプの太陽電池の効率が向上します。

従来の太陽電池で達成できる最高の理論効率は29.1％です。過去数年にわたって、MITや他の場所の研究者は、細胞の効率を高めるための新しい方法を開発しました。

初期のデモンストレーション

この技術の原理は知られており、その実証はすでに行われています。しかし、この技術が機能するようになるまでには何年もかかりました。初期の研究では、有機太陽電池の1つの光子から2つの電子が放出されることが示されました。ただし、シリコン太陽電池は有機太陽電池よりも効率的です。最上層がテトラセンで構成されている太陽電池でテストを行った場合、2つの電子の移動は簡単ではありませんでした。このテクノロジーは40年前に概念化されましたが、その実用性は今や現実のものになりつつあります。

励起プロセス

この技術には、励起子を含む材料のグループである励起子の使用が含まれます。それらは、1つの光子を2つの電子にエネルギー分割することを可能にします。励起子は、回路内を伝播する電子のようなエネルギーのパケットです。ただし、それらは電子と比較して異なる特性を持っています。このプロセスでは、一重項励起子核分裂が実行され、光エネルギーが2つの独立したモバイルエネルギーパケットに分割されます。シリコン太陽電池は光子を吸収して励起子を形成し、核分裂反応を起こして2つの励起状態を形成します。この場合、エネルギーの各パケットは初期状態の半分のエネルギーを持ちます。

課題の解決

光子から得られたエネルギーをシリコンに結合することは、非励起子材料であるため困難でした。研究チームは、励起子層からのエネルギーを量子ドットと呼ばれる小さな半導体粒子に結合しようとしました。これは、太陽電池技術でブレークスルーが起こったときでした。そこでは、それらは無機的で励起子的でした。これにより、より効率的なシリコン太陽電池が開発されました。

表面化学の役割

エネルギー伝達は、材料のかさばりのためではなく、材料の表面のために可能です。研究チームは、シリコンの表面化学に焦点を当てているため、望ましい結果を得ることができました。これは、そこに存在する表面状態の決定に役立ちました。解決策は、テトラセン層とシリコンセル層の間の界面にある薄い中間層にあります。使用される中間材料は、数原子の厚さで励起子のブリッジとして機能する酸窒化ハフニウムです。この新しいテクノロジーにより、理論上の最大効率が29.1％から35％に向上しました。

範囲

2つの材料の効率的な結合は達成されていますが、このプロセスにはシリコンセルのさらなる最適化が必要です。現在のバージョンよりもセルを薄くする必要があります。耐久性のための材料の安定化にも取り組む必要があります。製品が市販されるまでには数年かかります。効率を改善する他の方法には、シリコン上のペロブスカイト層のような他のタイプのセルの追加が含まれます。