Saulės elementų proveržis: superkompiuteris parodė, kad mikroskopiniai defektai gali didinti efektyvumą

Vokietijos fizikai, atlikę itin detalias simuliacijas viename galingiausių Europos superkompiuterių, ieškojo, kaip pašalinti saulės elementų sandūrose atsirandančius atominius netobulumus. Tačiau rezultatai nustebino: dalis vadinamųjų defektų ne trukdė, o padėjo perduoti energiją.

Toks atradimas svarbus, nes dauguma rinkoje naudojamų silicio saulės modulių vidutiniškai paverčia elektra tik apie 22 proc. į krintančios saulės šviesos. Likusi energijos dalis prarandama, dažnai virsta šiluma, o tai mažina našumą ir ilgainiui gali greitinti medžiagų senėjimą.

Kodėl prarandama tiek energijos?

Viena pagrindinių problemų yra ta, kad silicis ribotai panaudoja labai didelės energijos fotonus, pavyzdžiui, violetinę šviesą. Dalį jų energijos medžiaga ne paverčia elektra, o išspinduliuoja kaip šilumą, todėl krenta realus naudingumas.

Dėl to mokslininkai ieško sprendimų, kaip geriau „išnaudoti“ aukštesnės energijos šviesą. Viena kryptis yra hibridinės struktūros, kai ant silicio sluoksnio formuojamos itin plonos organinių puslaidininkių dangos.

Tetracenas ir viengubos būsenos skilimas

Tyrime daug dėmesio skirta tetracenui, organiniam puslaidininkiui, galinčiam dalyvauti procese, vadinamame viengubos būsenos skilimu. Jo esmė ta, kad sugėrus vieną didelės energijos fotoną, sužadinimas gali „pasidalinti“ į du mažesnės energijos sužadinimus, kuriuos teoriškai lengviau panaudoti silicyje.

Ilgą laiką buvo manyta, kad sandūra tarp tetraceno ir silicio turi būti kuo tobulesnė, nes bet koks netolygumas gali sutrikdyti sužadinimų perdavimą. Todėl tyrėjai dažnai siekė maksimaliai „švarių“ ir tvarkingų sąsajų.

Netikėta išvada: defektai gali padėti

Paderborno universiteto komanda, pasitelkusi ab initio molekulinės dinamikos simuliacijas, analizavo, kaip realiomis sąlygomis elgiasi atomai ir elektronai tetraceno bei silicio sandūroje. Tokie skaičiavimai yra itin imlūs resursams, todėl buvo vykdomi HLRS „Hawk“ superkompiuteryje Štutgarte.

Simuliacijos parodė, kad vadinamieji silicio kabančieji ryšiai, paprastai laikomi nepageidaujamu reiškiniu elektronikoje, šiuo atveju gali palengvinti sužadinimų perdavimą per sandūrą. Tyrimo rezultatai paskelbti žurnale „Physical Review Letters“.

„Mūsų darbas gali būti įdomus platesnei tyrėjų bendruomenei, nes parodo kitą kryptį, kaip galima projektuoti tokias sistemas“, – sakė pagrindinis straipsnio autorius Marvinas Krenzas.

Mokslininkai pabrėžia, kad tai nėra paruoštas sprendimas komerciniams moduliams, tačiau tai keičia požiūrį: netobulumas gali tapti projektuojamu įrankiu. Kitas žingsnis būtų sistemingai ieškoti tokių sandūrų konfigūracijų, kur „defektų“ struktūra būtų valdoma ir pakartojama gamyboje.

Jei viengubos būsenos skilimo principą pavyktų stabiliai pritaikyti praktikoje, teorinis efektyvumo prieaugis galėtų būti reikšmingas. Vis dėlto lemiamu veiksniu taps tai, ar skaitmeniniai rezultatai bus patvirtinti laboratoriniais prototipais ir ar technologija bus suderinama su masine gamyba.