آزادسازی 2 الکترون از هر فوتون
اگر یک فوتون ورودی دارای انرژی بیش از حد کوچک باشد، سلول خورشیدی آن را جذب نمی‌کنند. اگر یک فوتون بیش از حد چنین انرژی را داشته باشد، مازاد آن به‌صورت گرما هدر می‌رود. مهم نیست که چرا یک سلول خورشیدی سیلیکونی هرگز نمی‌تواند بیش از یک الکترون را از یک تک-فوتون تولید کند، اما در چنین شرایط سخت کوانتومی، بازده تبدیل سلول‌های فتوولتائیک به‌شدت محدود می‌شود. در طول چند دهه تحقیق دانشمندان بر روی سلول‌های خورشیدی، یک حد مطلق برای بهره‌وری از چنین دستگاهی در تبدیل نور آفتاب به الکتریسیته در نظر گرفته شده است: حد بازده شاکلی- كوئیزر.
| حد شاکلی-كوئیزر
حد شاکلی-كوئیزر یا حد تعادلی جزئی، اشاره به محاسبه حداکثر بازده نظری در یک سلول خورشیدی ساخته شده از اتصال PN دارد كه با بررسی مقدار انرژی الکتریکی که از هر فوتون فرودی خارج می‌شود، برای اولین بار توسط ویلیام شاکلی و هانس كوئیزر محاسبه شد.
حداکثر بازده تبدیل خورشیدی، در یک اتصال PN با نوار ممنوعه‌ی 1.4 ولت (با استفاده از AM 1.5 طیف خورشیدی) در حدود 33.7٪ است. بنابراین با چنین تابش خورشیدی فرودی، هر سلول خورشیدی ایده‌آل 337 مگاوات برق تولید می‌کند.
ماکسیمم بازده یک سلول خورشیدی تک-اتصال كه توسط مدل شاکلی-كوئیزر برحسب تابعی از انرژی نوار ممنوعه است، با طیف فرودی خورشیدی به عنوان طیف یک جسم تقریبا سیاه 6000 كلویني محاسبه می‌شود.
|
در حال حاضر، محققان در مرکز فناوری موسسه ماساچوست نشان داده‌اند که راهی برای گذشتن از این حد وجود دارد. اصلی كه در پشت چنين روشي است، به لحاظ نظری در سال ۱۹۶۰ شناخته شد اما این ایده تا حدودی مبهم بود و در كاربرد عملی هیچ كس موفق نشده بود. تا آنكه گروه MIT برای نخستین بار، به اثبات این اصل توانایی یافت تا چنین ایده‌ای را با موفقیت انجام داده و برای اكسایتون (Exiton) مورد قانع کننده‌ای بیابد که به بهره‌وری بیشتر خورشیدی ممکن شود. (اکسایتون حالت برانگیخته یک مولکول پس از جذب انرژی از فوتون است)
دانیل كان گریو، جای لی، نیکلاس تامپسون، مارک بالدو و شش نفر دیگر نشان دادند که یک سلول‌های فتوولتائیک بر مبنای پنتاسن می‌تواند دو الکترون از یک فوتون و بنابراين برق بیشتري از همان مقدار تابش خورشیدي تولید كند.
كلید آنها در پدیده‌ای است به نام « واحد شکافت اکسایتون» که در آن فوتون‌های رسیده به سلول، دو «اکسایتون» تولید می‌كنند. محققان پیش از این، ترفندهایی مشابه را با استفاده از نقاط کوانتومی (تکه‌های کوچکی از ماده با رفتاری همانند اتم‌ها) و نور فرابنفش انجام داده بودند.
در سلول‌های فتوولتائیك (PV) استاندارد، هر فوتون دقیقاً یك الكترون از ماده‌ی فتوولتائیك آزاد می‌کند و سپس این الكترون، می‌تواند از طریق سیم به جریان الكتریكی منجر شود و انرژی مازاد به‌دست آمده از فوتون به صورت گرما تلف می‌شود. اما در روش جدید هر فوتون قادر به آزادسازی دو الکترون است، چرا كه انرژی اضافی، منجر به تولید دو الکترون به جای یكی گشته و در نتیجه این فرآیند را بسیار كارآمدتر می‌سازد. بالدو می‌گوید: «آنچه ما در اینجا نشان دادیم، علاوه بر استفاده از نور مرئی، آن است كه این فرایند در مواد آلی بسیار بسیار موثر كار می‌كند.»
هنوز هم دقیقا روشن نیست كه چرا سلولي از جنس پنتاسن با تنها یک نوار بسیار باریک از نور مرئی کار می‌کند، اما بالدو می‌گوید: «باید ممکن باشد كه پوششي از جنس پنتاسن، برای سلول‌های خورشیدی سیلیکونی ایجاد شود تا راندمان تبدیل کل از 25 درصد امروزه به بیش از 30 درصد افزایش یابد كه اين جهشي قابل توجه است.» آیا می‌توان پنتاسن را به‌عنوان یک پوشش بر روی سیلیکون به‌کار برد؟ بالدو می‌گوید: «اگر ما بتوانیم این کار را انجام دهیم، تاثیر بسیار عمده‌ای بر تکنولوژی سلول‌های خورشیدی خواهد داشت.»
بازده پنل‌های خورشیدی نیز می‌تواند با انباشتن یك‌جای سلول‌های خورشیدی گوناگون بهبود یابد، اما تركیب سلول‌های خورشیدی با مواد موسوم به سلول خورشیدی گران است. فناوری جدید از كاركرد یك پوشش گران‌قیمت بر سلول‌های خورشیدی وعده می‌دهد.
در این كار از موادی شناخته شده استفاده شده، اما گروه در حال پیدا كردن مواد جدیدی است كه همین ترفند را حتی بهتر انجام دهند. همان گونه كه بالدو می‌گوید: «در این زمینه روی موادی كار شد كه بر شانس مبتنی بودند.» اما در حال حاضر اصول آن بهتر درك شده و محققان می‌توانند در یك روش سیستماتیك‌تر ، كاوش خود را برای جایگزین‌های ممكن آغاز كنند.