I alla konventionella kiselbaserade solceller, det finns en absolut gräns för total effektivitet, delvis baserat på det faktum att varje foton av ljus bara kan slå loss en enda elektron, även om den fotonen bar dubbelt så mycket energi som behövs för att göra det. Men nu, forskare har visat en metod för att få högenergifoton som slår kisel att sparka ut två elektroner istället för en, öppna dörren för en ny typ av solceller med större effektivitet än man trodde var möjligt.

Medan konventionella kiselceller har en absolut teoretisk maximal effektivitet på cirka 29,1 procent omvandling av solenergi, den nya metoden, utvecklats under de senaste åren av forskare vid MIT och på andra håll, kunde bryta igenom den gränsen, möjligen lägga till flera procentenheter till den maximala effekten. Resultaten beskrivs idag i tidningen Natur , i en uppsats av doktoranden Markus Einzinger, professor i kemi Moungi Bawendi, professor i elektroteknik och datavetenskap Marc Baldo, och åtta andra vid MIT och vid Princeton University.

Grundkonceptet bakom denna nya teknik har varit känt i decennier, och den första demonstrationen att principen kunde fungera utfördes av några medlemmar i detta team för sex år sedan. Men faktiskt översätter metoden till en fullständig, operativ kiselsolcell tog år av hårt arbete, Säger Baldo.

Den första demonstrationen "var en bra testplattform" för att visa att idén kunde fungera, förklarar Daniel Congreve Ph.D. '15, en alumn vid Rowland Institute vid Harvard, som var huvudförfattare i den tidigare rapporten och är medförfattare till den nya uppsatsen. Nu, med de nya resultaten, "vi har gjort vad vi tänkt göra" i det projektet, han säger.

Den ursprungliga studien visade produktion av två elektroner från en foton, men det gjorde det i en organisk solcellscell, vilket är mindre effektivt än en kiselsolcell. Det visade sig att det inte var enkelt att överföra de två elektronerna från ett uppsamlingsskikt av tetracen till kiselcellen. "Säger Baldo. Troy Van Voorhis, en professor i kemi vid MIT som var en del av det ursprungliga teamet, påpekar att konceptet föreslogs först på 1970 -talet, och säger knepigt att det bara tog 40 år att göra den idén till en praktisk enhet.

Nyckeln till att dela energin hos en foton i två elektroner ligger i en klass av material som har "upphetsade tillstånd" som kallas excitoner, Baldo säger:I dessa excitoniska material, "dessa energipaket förökar sig som elektronerna i en krets, "men med helt andra egenskaper än elektroner." Du kan använda dem för att ändra energi - du kan skära dem på mitten, du kan kombinera dem. "I det här fallet, de genomgick en process som kallas singlet exciton fission, vilket är hur ljusets energi delas upp i två separata, oberoende rörliga energipaket. Materialet absorberar först en foton, bildar en exciton som snabbt genomgår fission i två upphetsade tillstånd, var och en med halva energin från det ursprungliga tillståndet.

Men den knepiga delen var då att koppla den energin över till kislet, ett material som inte är excitoniskt. Denna koppling hade aldrig uppnåtts tidigare.

Som ett mellansteg, laget försökte koppla energin från det excitoniska skiktet till ett material som kallas kvantprickar. "De är fortfarande excitoniska, men de är oorganiska, "Säger Baldo." Det fungerade; det fungerade som en charm, "säger han. Genom att förstå mekanismen som sker i det materialet, han säger, "vi hade ingen anledning att tro att kisel inte skulle fungera."

Vad arbetet visade, Van Voorhis säger, är att nyckeln till dessa energiöverföringar ligger i själva ytan av materialet, inte i sin massa. "Så det var klart att ytkemin på kisel skulle bli viktig. Det var det som skulle avgöra vilken typ av yttillstånd det fanns." Det fokuset på ytkemin kan ha varit det som gjorde att laget kunde lyckas där andra inte hade, han föreslår.

Nyckeln var i ett tunt mellanlager. "Det visar sig vara så litet, liten materialremsa vid gränssnittet mellan dessa två system [kiselsolcellen och tetracenlagret med dess excitoniska egenskaper] slutade definiera allt. Det är därför andra forskare inte kunde få denna process att fungera, och varför vi äntligen gjorde det. "Det var Einzinger" som slutligen knäckte den nöt, " han säger, genom att använda ett lager av ett material som kallas hafniumoxynitrid.

Skiktet är bara några atomer tjockt, eller bara 8 ångström (tio-miljardelar av en meter), men det fungerade som en "fin bro" för de upphetsade tillstånden, Säger Baldo. Det gjorde det slutligen möjligt för de enda högenergifotonerna att utlösa frisättning av två elektroner inuti kiselcellen. Det ger en fördubbling av mängden energi som produceras av en given mängd solljus i den blå och gröna delen av spektrumet. Övergripande, som skulle kunna ge en ökning av kraften som produceras av solcellen - från ett teoretiskt maximum på 29,1 procent, upp till högst cirka 35 procent.

Faktiska kiselceller är ännu inte maximalt, och inte heller det nya materialet, så mer utveckling måste göras, men det avgörande steget för att koppla de två materialen effektivt har nu bevisats. "Vi behöver fortfarande optimera kiselcellerna för denna process, "Säger Baldo. För en sak, med det nya systemet kan dessa celler vara tunnare än nuvarande versioner. Arbete måste också göras för att stabilisera materialen för hållbarhet. Övergripande, kommersiella applikationer är förmodligen fortfarande några år lediga, säger laget.

Andra metoder för att förbättra effektiviteten hos solceller tenderar att innebära att man lägger till en annan cell, såsom ett perovskitskikt, över kislet. Baldo säger "de bygger en cell ovanpå en annan. I grunden vi gör en cell - vi är typ av turboladdning av kiselcellen. Vi lägger till mer ström i kislet, i motsats till att göra två celler. "

Forskarna har mätt en särskild egenskap hos hafniumoxynitrid som hjälper den att överföra den excitoniska energin. "Vi vet att hafniumoxynitrid genererar extra kostnad vid gränssnittet, vilket minskar förluster genom en process som kallas elektrisk fältpassivering. Om vi ​​kan skapa bättre kontroll över detta fenomen, effektiviteten kan stiga ännu högre. "säger Einzinger. Hittills har inget annat material som de har testat kan matcha dess egenskaper.