Эффективность преобразования энергии в солнечных элементах, выполненных из обыкновенного полупроводника, ограничена фундаментально и не может превышать примерно 31%. И это теоретический предел. При этом лучшие из реально созданных ячеек не дают результата выше 20%. Это связано с тем, что в подобных ячейках (назовем их «обычными») фотоны с энергией выше запрещенной зоны полупроводника генерируют так называемые «горячие» пары носителей заряда (электрона и дырки), которые быстро охлаждаются. Охлаждение происходит в течение пикосекунд, при этом испускается фонон – частица, отвечающая за колебания кристаллической решетки, т.е. высокую температуру. Если бы можно было придумать способ захвата энергии этих носителей заряда до того, как они превратятся в бесполезную по своей сути температуру, эффективность преобразования солнечной энергии в ячейках могла бы достигнуть примерно 66% (в теоретическом пределе).
Первый шаг к реализации этой идеи был сделан еще в 2008 году, когда ученые из University of Chicago показали, что подобные фотоны могут быть замедлены в полупроводниковых нанокристаллах (квантовых точках). Теперь же совместная группа из University of Texas и University of Minnesota выполнила второй важный шаг: нашла способ захватывать электроны до того, как их энергия будет потеряна на тепловых колебаниях кристаллической решетки.
Группа обнаружила, что электроны могут переводиться из фоточувствительно слоя (в их эксперименте - селенида свинца) в соседствующий полупроводник (диоксид титана). В данном случае селенид свинца был выбран в качестве материала для нанокристаллов (квантовых точек) благодаря тому, что он обладает исключительно большим радиусом Бора. Это значит, что волновые функции электронов простираются далеко за пределы квантовой точки. Подобная делокализация позволяет частицам мигрировать из нанокристалла в размещенный рядом полупроводник: такой, как диоксид титана.
Стоит отметить, что в начале своих экспериментов исследователи никак не ожидали возможности захвата именно «горячих» электронов; при постановке задачи речь шла о переходе «обычных» носителей заряда.
Исследователи продемонстрировали методику, применяя квантовые точки, выполненные из селенида свинца, однако, подобная техника будет работать и с другими полупроводниковыми материалами. На следующем этапе научная группа планирует глубже исследовать обнаруженное явление, дабы понять фундаментальную основу происходящих процессов. Естественно, потребуется еще огромная работа, прежде чем мы увидим на практике реальные солнечные батареи с эффективностью преобразования энергии около 60%.
