Исследователи из Университета Аалто разработали фотоэлектрическое устройство, которое имеет внешнюю квантовую эффективность 132 процента. Этот невероятный по звучанию подвиг был достигнут с использованием наноструктурированного черного кремния и мог бы стать крупным прорывом для солнечных батарей и других фотоприемников.
Если гипотетическое фотоэлектрическое устройство имеет внешнюю квантовую эффективность 100 процентов, это означает, что каждый фотон света, который попадает в него, генерирует один электрон, который выходит через цепь и собирается в виде электричества.
Это новое устройство является первым, которое не только достигает 100-процентного КПД, но и превосходит его. При 132 процентах это означает, что вы получаете в среднем 1,32 электрона на каждый фотон. В качестве активного материала был использован черный кремний, с наноструктурами в форме конусов и колонн, поглощающими ультрафиолетовый свет.
Очевидно, что вы не можете иметь 0,32 электрона, но, другими словами, у вас есть 32-процентный шанс генерировать два электрона из одного фотона. На первый взгляд это может показаться невозможным – в конце концов, физика диктует, что энергия не может быть создана из ничего. Так откуда же берутся эти дополнительные электроны?
Все сводится к тому, как работают фотоэлектрические материалы в целом. Когда фотон входящего света ударяет активный материал — обычно кремний — он выбивает электрон из одного из своих атомов. Но при определенных обстоятельствах один высокоэнергетический фотон может выбить два электрона, не нарушая никаких законов физики.
Само собой разумеется, что использование этого явления может быть чрезвычайно полезным для улучшения конструкции солнечных элементов. Во многих фотоэлектрических материалах эффективность теряется по нескольким причинам, включая отражение фотонов от устройства или рекомбинацию электронов с «дырой», которую они оставили в атоме, прежде чем они смогут быть собраны схемой.
Но команда Аалто говорит, что в значительной степени эти барьеры устранены. Черный кремний поглощает гораздо больше фотонов, чем другие материалы, а наноструктуры конуса и колонки уменьшают рекомбинацию электронов на поверхности материала.
В совокупности эти достижения позволили создать устройство со 130-процентной внешней квантовой эффективностью. Команда даже провела независимую проверку этих результатов в Немецком национальном метрологическом институте Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB).
Исследователи говорят, что такая рекордная эффективность может улучшить работу практически любого фотодетектора, включая солнечные элементы и другие датчики света, и что новые детекторы уже производятся для коммерческого использования.
Исследование принято к публикации в журнале Physical Review Letters.
Источник:
