Ученые создали концентраторы солнечного света для солнечных батарей

© Mulad

Ученые разработали метод концентрирования солнечной энергии, который позволит в будущем повысить количество поглощаемого солнечными элементами света и увеличить тем самым их эффективность, говорится в статье исследователей, опубликованной в журнале Nature Materials.

Эта разработка, основанная на углеродных нанотрубках, открывает возможность использовать солнечные лучи более широкого спектра, по сравнению с той его частью, которая может быть преобразована в электричество современными типами солнечных батарей. Проблема современных солнечных батарей заключается в невозможности преобразования всего спектра света в электричество из-за так называемых "горячих электронов".

При возбуждении электронов в полупроводниковых светочувствительных материалах батарей часть из них переходит в электрическую цепь, однако большая доля таких возбужденных электронов, обладающих слишком большой энергией после возбуждения солнечными лучами, а потому называемая "горячими", практически мгновенно переходит обратно в невозбужденное состояние с выделением тепла, не выполняя какой либо полезной работы. Замедлив скорость этого обратного перехода, можно добиться перехода в электрическую цепь и таких электронов, значительно повысив эффективность батарей.

Группа Михаэля Страно (Michael Strano) из Массачусетского технологического института сумела добиться именно этого с помощью использования углеродных нанотрубок. Ноу-хау исследователей составляют небольшие цилиндрические жгуты, сплетенные из нанотрубок, имеющие свою сердцевину и внешнюю часть. Эта сердцевина и внешняя оболочка состоят из углеродных нанотрубок разного типа - так называемых полупроводниковых (внешние) и обладающих металлическим типом проводимости (внутренние).

Внешняя оболочка таких жгутов из нанотрубок обладает способностью поглощать солнечный свет в широком диапазоне длин волн, что сопровождается возбуждением электронов в структуре нанотрубок и образованием так называемых экситонов - возбужденных электронов и электронных дырок - электронных вакансий, формирующихся при переходе электрона из одного энергетического состояния в другое.

Как показали авторы исследования, возбужденные таким образом экситоны быстро переходят в сердцевину, состоящую из "металлических" углеродных нанотрубок, где остаются стабильными за счет небольшого понижения своей энергии.

Следующим шагом разработчиков будет непосредственно создание на основе этой технологии солнечной батареи. Для этого в центр подобного жгута нанотрубок будет помешен полупроводниковый материал, на котором будет происходить отделение электронов от дырок и их перенос с помощью металлического электрода во внешнюю электрическую цепь. После прохождения по ней электроны будут возвращаться в нанотрубки с помощью электрода, присоединенного к внешней оболочке жгутов.

"Вместо того чтобы покрывать всю крышу своего дома батареей солнечных элементов с помощью наших концентраторов солнечной энергии, функционирующих подобно воронкам, можно будет ограничиться совсем небольшими солнечными элементами, в которые свет будет буквально вливаться, будучи предварительно сконцентрированным", - сказал Страно, слова которого приводит пресс-служба института.

Ученые уверены, что уже очень скоро стоимость углеродных нанотрубок, некогда бывших очень дорогим материалом, снизится настолько, что будет уже незначительной по сравнению со стоимостью других компонентов солнечных батарей, что сделает использование таких концентраторов солнечной энергии на их основе крайне выгодным.