Военная поговорка утверждает, что для того чтобы умело командовать, надо научиться подчиняться. Последние исследования ученых выявили похожую закономерность и в мире техники. Оказывается, что эффективность поглощения света и его преобразования в электричество солнечными элементами зависит от их способности излучать свет.
Ученые из Калифорнийского университета в Беркли выявили и продемонстрировали парадоксальное свойство. Для того чтобы солнечная ячейка наилучшим образом улавливала энергию света и вырабатывала максимум электричества, она должна быть сконструирована как светодиод, назначение которого излучение света.
«Мы продемонстрировали, что чем лучше солнечные ячейки излучают фотоны, тем выше их напряжение, и тем больше эффективность», - сообщил профессор Эли Яблонович (Eli Yablonovitch), главный научный сотрудник Калифорнийского университета.
Еще с 1961 года ученым известно, что производительность фотоэлектрических элементов ограничена. Ее абсолютный теоретический предел – 33,5%, что означает возможность преобразования в электроэнергию только 33,5% светового потока, падающего на солнечный элемент. В то же время, максимум, чего смогли добиться ученые за прошедшие 50 лет, это добиться эффективности чуть больше 26%.
Следует отметить, что приведенные цифры верны лишь для простых однопереходных солнечных элементов, поглощающих световые волны выше определенной частоты. Сложные многопереходные многочастотные структуры обладают более высокими характеристиками.
Профессор Яблонович и его коллеги попытались выяснить, чем обусловлен такой большой разрыв между теоретической и практической производительностью элементов. Решение оказалось простым, хотя, на первый взгляд, противоречащим здравому смыслу. Оно основано на математической связи между поглощением и излучением света. Теория о том, что люминесцентная эмиссия связана с напряжением, не нова. Но до сих пор ее не применяли для разработки солнечных панелей.
Напряжение появляется на выходе фотоэлектрического элемента, когда фотон солнечного света ударяет полупроводниковый материал, из которого состоит ячейка. Энергия фотона выбивает из материала электроны, которые становятся свободными. В процессе образования свободных электронов могут также генерироваться новые фотоны. Этот процесс называется люминесценцией. Ученые выяснили, что эти новые эмитированные фотоны, должны иметь возможность как можно быстрее покинуть ячейку.
На первый взгляд кажется целесообразным удержать фотоны под действием которых, возможно, образуется еще больше свободных электронов и напряжение на выходе элемента повысится. Однако математические расчеты показали обратную зависимость, напряжение возрастает тем больше, чем быстрее новые фотоны будут удалены из полупроводникового материала.
Профессор Яблонович пошел дальше научной констатации фактов и стал соучредителем компании Alta Devices. Компания использовала результаты научных исследований для создания прототипа солнечной панели из арсенида галлия (GaAs). Прототип побил существующий рекорд и показал эффективность 28,3%.
Чтобы достичь такого значения эффективности были использованы методы, облегчающие насколько это возможно выход фотона из ячейки и излучение света. Например, повышение отражающей способности задней стенки, что выталкивает вновь образующиеся фотоны наружу через переднюю панель.
В ближайшие годы авторы нового метода надеются достичь эффективности солнечных панелей около 30%. Свои выводы ученые из Беркли намерены представить на Конференции по лазерам и электрооптике CLEO-2012, которая откроется 6 мая в Сан-Хосе, Калифорния.
Никто пока не комментировал эту страницу.