Новые солнечные батареи бьют рекорды эффективности

Для получения максимального количества энергии солнечные батареи созданы таким образом, чтобы поглощать как можно больше солнечного света

Исследователи из Университета Калифорнии г. Беркли предложили (и доказали) парадоксальную концепцию – солнечные батареи должны быть больше похожи на светодиоды, способные как излучать, так и поглощать свет.

Команда из Беркли представит свое открытие на Конференции по лазерам и электрооптике (CLEO: 2012), которая пройдет с 6 по 11 мая в Сан-Хосе, Калифорния.

«Нам удалось продемонстрировать, что чем лучше солнечная батарея излучает фотоны, тем выше ее напряжение и тем большую она показывает эффективность», - заявил Эли Яблонович – главный исследователь Калифорнийского университета и инженер-электрик.

С 1961 года ученым известно, что при идеальных условиях существует предел тому количеству энергии, которое может быть получено от нагрева солнечными лучами обычной солнечной батареи. Абсолютный лимит составляет теоретически около 33,5 процента. Это значит, что в лучшем случае 33,5 процента энергии от входящих фотонов будут поглощены и превратятся в полезную электроэнергию.

Однако за прошедшие пять десятилетий ученым так и не удалось приблизиться к такому показателю эффективности: по информации на 2010 год, максимум, которого удалось добиться, составил 26 процентов (это для плоских солнечных батарей с однопереходным солнечным элементом, которые поглощают солнечные лучи определенной частоты. Батареи с многопереходным солнечным элементом, которые являются многослойными и поглощают несколько частот, способны достигать большей эффективности).

Солнечная батарея высокой производительности Alta Devices (фото sciencedaily.com)

Ранее Яблонович и его коллеги пытались понять, почему существует такой большой разрыв между теоретическим лимитом и лимитом, которого ученым удавалось реально достигнуть. Во время последнего исследования «вырисовалась четкая картина», - сказал Оуэн Миллер – аспирант в Калифорнийском университете Беркли и член команды Яблоновича. Они пришли к относительно простому, если не сказать парадоксальному, выводу, основанному на математической связи между поглощением и излучением света.

«Говоря научным языком, причина кроется в термодинамической связи между поглощением и излучением», - сказал Миллер. Создание солнечных батарей, которые будут излучать свет – чтобы фотоны не «терялись» внутри самой лампы - приведет к естественному эффекту повышения напряжения, создаваемого солнечной батареей. «Если у вас есть солнечная батарея, которая хорошо излучает свет, она автоматически создает большее напряжение, которое, в свою очередь, увеличивает количество электроэнергии, вырабатываемое батареей из каждой единицы солнечного света», - говорит Миллер.

Теория о том, что интенсивность люминесценции и напряжение - взаимосвязаны, не нова. Но эта идея никогда до сих пор не применялась к разработке солнечных батарей, продолжил Миллер.

В этом году компания Alta Devices, расположенная в районе города Бей, соучредителем которой является Яблонович, использовала новую концепцию для создания опытного образца солнечной батареи из арсенида галлия (GaAs) – материала, который часто используется для создания солнечных батарей для искусственных спутников. Опытный образец побил рекорд, прыгнув с 26-процентного сразу до 28,3-процентного показателя эффективности. Компания достигла этого показателя отчасти за счет разработки такой батареи, откуда свет может выйти с максимальной легкостью – к примеру, с использованием технологии повышения отражательной способности зеркала в задней части батареи, которое отсылает входящие фотоны назад через переднюю часть устройства.

Эли Яблонович и Оуэн Миллер, который разработал теорию солнечной батареи новой эффективности. На мониторе новая физическая концепция, где увеличение светового излучения приводит к повышению эффективности (фото sciencecodex.com)

Солнечные батареи производят электричество, когда солнечные фотоны нагревают полупроводниковый материал внутри батареи. Энергия фотонов выбивает из этого материала свободные электроны, позволяя им свободно течь. Но процесс выбивания свободных электронов может также породить новые фотоны. Этот процесс называется люминесценцией. Идея, лежащая в основе создания новой солнечной батареи, такова, что этим новым фотонам, которые не получаются непосредственно от солнца, надо позволить как можно легче выйти из батареи.

«Обычно сразу задаются вопросом: почему это эффективно [позволить этим фотонам выйти]? – Говорит Миллер. - Не лучше ли оставить их [фотоны] внутри, где они, возможно, создадут больше электронов?». Однако математически, если позволить фотонам выйти, повышается напряжение, которое может произвести батарея.

Эта работа - «хороший и полезный способ» узнать, как ученые могут повысить эффективность солнечных батарей, а также найти новые творческие пути их изучения и тестирования, утверждает Лео Шовольтер из корпорации Crystal IS и приглашенный профессор в Политехническом институте Ренселлера, являющийся председателем комитета CLEO по светодиодам, солнечной энергетике и энергоэффективной фотоэлектронике.

Яблонович надеется, что в ближайшие годы ученые используют эту технологию, чтобы достигнуть эффективности близкой к 30 процентам. А так как эта работа касается всех типов солнечных батарей, то она найдет применение во многих областях.