Złapali "gorące elektrony"

Uczeni od dziesięcioleci teoretyzowali, że możliwe jest dwukrotne zwiększenie wydajności ogniw słonecznych o ile uda się wykorzystać tak zwane "gorące elektrony". Teraz naukowcy z jezuickiego Boston College eksperymentalnie dowiedli, że teoria jest prawdziwa.

Gdy światło słoneczne dociera do ogniwa, wynikiem jego oddziaływania jest pojawienie się wolnych elektronów o różnych stanach energetycznych. Pozyskanie z nich energii jest możliwe, gdy osiągną niskie zakresy pasma przewodnictwa. Problem w tym, że w międzyczasie te wysoko energetyczne "gorące" elektrony tracą większość energii. Tak na przykład dzieje się, gdy do ogniwa słonecznego zoptymalizowanego pod kątem pozyskiwania energii z pasma podczerwieni dociera foton o wyższym stanie energetycznym. Najpierw zamienia się on w "gorący elektron" i dopiero z niego pozyskiwana jest energia. Zanim się to jednak stanie, elektron sporo jej traci. Gdyby udało się przechwytywać energię z "gorących elektronów" zanim ją stracą, teoretyczna wydajność ogniw słonecznym mogłaby wzrosnąć nawet do 67%.

Zespół z Boston College wykorzystał niezwykle cienkie ogniwa słoneczne, których grubość nie przekraczała 30 nanometrów i opracował mechanizm, dzięki któremu energia z "gorących elektronów" jest przechwytywana zanim elektrony "ostygną".

Ich odkrycie będzie przydatne nie tylko w energetyce. "Gorące elektrony" powstają również w półprzewodnikach, a ich wysokie energie przyczyniają się do stopniowej degradacji urzączeń. Niewykluczone że teraz uda się w użyteczny sposób wykorzystać "gorące elektrony" tworzące się w urządzeniach elektronicznych.

Profesor Krzysztof Kempa, szef zespołu badawczego, stwierdził, że sukces odniesiono dzięki zminimalizowaniu środowiska, w którym pojawiają się elektrony, dzięki czemu ograniczono im szanse ucieczki. Kempa porównuje technologię opracowaną przez jego zespół do próby ogrzania basenu za pomocą filiżanki wrzącej wody. Po wlaniu wody do środka basenu, temperatura wody na jego brzegach nie zmieni się, gdyż ciepło zostanie w międzyczasie rozproszone. Jeśli jednak tę samą filiżankę wlejemy do kranu z lecącą wodą, jej temperatura natychmiast wzrośnie. Mniejsza powierzchnia uniemożliwi rozproszenie się ciepła.

Zmniejszyliśmy rozmiary ogniwa słonecznego czyniąc je cienkim. Dzięki temu gorące elektrony znalazły się bliżej powierzchni, gdzie łatwiej je wykorzystać. Trzeba je bowiem przechwycić w czasie krótszym niż pikosekunda - mówi Kempa. W skład jego zepołu wchodzili też Michael Naughton, Jakub Rybczynski i Zhifeng Ren.

Podczas przeprowadzonych eksperymentów ultracienkie ogniwo, które wykorzystywało 50-krotnie mniej pochłaniacza niż ogniwa tradycyjne, charakteryzowało się wydajnością rzędu 3%. Użycie doskonalszych materiałów i technologii powinno znacząco zwiększyć wydajność ogniw.


Autor: Mariusz Błoński

Źródło: Boston College
kopalniawiedzy.pl