Новый материал для солнечных ячеек удерживает горячие электроны 5 нс

Учёные из Национальной лаборатории Роки-Маунтинс заявили, что научились удерживать «горячие электроны» в системе на основе кремния примерно 5 наносекунд. Для солнечной энергетики это почти вечность: в обычном кремнии такие возбуждённые носители теряют лишнюю энергию практически сразу и превращают её в тепло.

Фокус здесь не в новом экзотическом металле, а в химии стыка. Исследователи связали кремниевый нанокристалл с молекулярным катализатором через специальный «мостик», из-за которого электроны не сбрасывают энергию мгновенно, а остаются пригодными для химических реакций. Если цифра подтвердится вне лаборатории, это хороший удар по главной болезни солнечных систем: мы ловим свет, а потом сами же сжигаем его в виде тепла.

Как работает новый материал для солнечной энергии

Схема выглядит так: кремниевый нанокристалл поглощает свет, катализатор должен забрать энергию на полезную химию, а химическая связка между ними не даёт системе слишком быстро «остыть». В результате горячие электроны распределяются между двумя частями структуры и живут в 25 000 раз дольше, чем в стандартных кремниевых материалах.

Это важно по очень приземлённой причине. Предел эффективности обычного однопереходного кремниевого элемента давно упирается примерно в 33%, а лабораторные кремниевые ячейки уже подобрались к 27%. Дальше каждый лишний процент даётся дорого. Технологии, которые умеют забирать энергию у горячих носителей до того, как она ушла в нагрев, теоретически могут поднять потолок заметно выше.

Где это пригодится кроме солнечных панелей

Авторы говорят не только о выработке электричества. Такая система лучше подходит для фотокатализа, где свет сразу запускает химическую реакцию. В списке очевидных применений три направления:

• получение водорода из воды;
• превращение CO₂ в топливо и химическое сырьё;
• синтез соединений азота для удобрений.

Сравнение с растениями здесь не случайно. Естественный фотосинтез в поле обычно использует считаные проценты падающей солнечной энергии, и значительная часть потерь тоже уходит в тепло и побочные процессы. Так что идея «поймать свет и не дать ему остыть» интересует не только производителей панелей, но и всю солнечную химию.

Следующий рубеж для этой схемы не публикация, а масштабирование на стабильные устройства площадью больше лабораторного образца.