Технология, основанная на имитации фотосинтеза, снижает потери энергии при преобразовании света в электричество. Исследователи из Университета штата Мичиган использовали светопоглощающий полупроводник и зеркало, чтобы повысить эффективность солнечных батарей. Технология использует поляритоны, чтобы обеспечить перенос энергии на расстоянии без потерь.

В своей работе ученые использовали тонкий светопоглощающий полупроводник из ароматического углеводорода (тетрафенилдибензоперифлантена), размещенный на распределенный брэговский отражатель. Это слоистая структура, в которой показатель преломления материала периодически изменяется перпендикулярно слоям.

В новой системе фотоны света, падающие на поверхность, не преобразовываются в экситоны (электронно возбуждение), вместо этого они сохраняют свои светоподобные свойства. Смесь фотонов, электронов и дырок известна как поляритон. В поляритонной форме его светоподобные свойства позволяют энергии быстро преодолевать относительно большие расстояния в 0,1 мм.

Схема фотосинтеза (а) и устройство аналогичной «антенны» для солнечной батареи (b). Общий принцип работы устройства представлен на рисунке ©: свет падающий на полупроводник в виде поляритонов движется в сторону приемника без потерь, где преобразуется в экзитоны. На рисунке (d) вид сверху на устройство под микроскопом, черная зона — приемник. Изображение: Bin Liu et al., Optica

Идея этого процесса основана на работе фотосинтеза, объясняют ученые. Одним из способов потери энергии солнечными элементами являются токи утечки, возникающие в отсутствие света. Это происходит в той части солнечного элемента, которая принимает отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные «дырки», образующиеся при поглощении света, и разделяет их на стыке между различными полупроводниками для создания электрического тока.

Природа минимизирует эти потери при фотосинтезе с помощью больших светособирающих «антенных комплексов» в хлоропластах и гораздо меньших «реакционных центров», где электроны и дырки разделяются для использования в производстве сахара. Разработанная технология представляет собой аналог такой «антенны», заключают авторы исследования.