Tyrinėjimas

Pažengęs lygis

Fotovoltinės konversijos kvantinė mechanika
Fotovoltinis efektas iš esmės yra kvantinis reiškinys. Kai fotonas yra absorbuojamas silicio atomo, jo energija turi viršyti draustinės juostos energiją (Eg ≈ 1,1 eV kristaliniam siliciui), kad elektronas būtų perkeliamas iš valentinės juostos į laidumo juostą. Šis procesas sukuria elektrono–skylės porą, kurios tikimybę lemia medžiagos sugerties koeficientas ir fotono energija.

Energijos nuostoliai vyksta keliais etapais:

• Fotonai, kurių E < Eg, praeina nesukurdami krūvininkų (perdavimo nuostoliai)
• Fotonai, kurių E >> Eg, sukuria „karštuosius“ krūvininkus, kurie greitai praranda perteklinę energiją kaip šilumą per termalizaciją
• Paviršiaus atspindys (be antirefleksinio sluoksnio prarandama apie 30 % įkrentančios šviesos)
• Rekombinacija (elektrono–skylės poros rekombinuoja prieš pasiekdamos kontaktus, išskirdamos energiją kaip šilumą arba šviesą)

Shockley-Queisser riba nustato teorinį vienos sandūros saulės elemento maksimalų naudingumo koeficientą – apie 33 % esant standartiniam saulės spektrui (AM1.5G). Realūs silicio elementai pasiekia 15–22 % dėl papildomų nuostolių, atsirandančių dėl varžos, netobulų medžiagų ir neidealių sandūrų savybių.

Naudingumo koeficientas, spektrinis atsakas ir medžiagų optimizavimas
Saulės elemento naudingumo koeficientas labai priklauso nuo to, kaip gerai puslaidininkio draustinės juostos plotis atitinka saulės spektrą. Silicio 1,1 eV draustinė juosta yra kompromisas: ji efektyviai sugeria matomą ir artimą infraraudonąją šviesą, bet negali panaudoti žemos energijos infraraudonųjų fotonų ar visiškai išnaudoti aukštos energijos ultravioletinių fotonų.

Pažangios strategijos, kaip viršyti Shockley-Queisser ribą:

• Daugiasluoksniai (tandeminiai) elementai: sudedami puslaidininkiai su skirtingomis draustinėmis juostomis (pvz., GaInP/GaAs/Ge), kad kiekvienas sluoksnis sugertų tam tikrą spektro dalį. Laboratoriniai naudingumo koeficientai viršija 47 % esant koncentruotai saulės šviesai.
• Perovskitiniai elementai: hibridinės organinės–neorganinės medžiagos su reguliuojamu draustinės juostos pločiu, greitu krūvininkų pernašumu ir tirpaliniu gamybos būdu. Dabartinis naudingumo koeficientas siekia 26 %, tačiau išlieka stabilumo ir mastelio problemos.
• Karštųjų krūvininkų elementai