Люминесцентный дизайн солнечных батарей позволяет добиться большей эффективности

С 1961 г. ученым известно, что количество энергии, которое солнечная батарея может извлечь из света в идеальных условиях, имеет свой предел. Теоретический максимум эффективности для обычных ячеек — примерно 33,5%. Но в течение пятидесяти лет инженерам и исследователям не удавалось достичь этой планки. Самый высокий показатель, зафиксированный с 2010 года — 26% эффективности. Правда, он был достигнут для однослойной батареи, способной поглощать свет с определенной длиной волны. У многослойных ячеек, рассчитанных на взаимодействие с широким частотным диапазоном излучений, эффективность выше. Команда исследователей из Университета Калифорнии (Беркли, США) предложила новый дизайн солнечных батарей, который может показаться абсурдным. Как заявил руководитель проекта профессор Эли Яблоновитч, для достижения максимальной эффективности ячейки должны не только поглощать фотоны, но и свободно их испускать (принцип люминесценции).

Производство электричества в фоточувствительных полупроводниках происходит следующим образом. Энергия фотонов передается электронам материала, они становятся свободными и могут перемещаться, создавая разность потенциалов. Но движение электронов приводит к образованию новых фотонов, не имеющих отношения к солнечному свету. Идея новой разработки такова — эти вновь созданные фотоны должны иметь возможность легко покидать пределы ячейки. Казалось бы, это противоречит здравому смыслу: ведь оставаясь в полупроводнике, фотоны могли бы создать большее количество электронов? Но математический анализ показал, что возможность «побега» фотонов позволяет увеличить напряжение, генерируемое за счет единицы солнечного света. Участник группы исследователей аспирант Оуэн Миллер поясняет: если фотоны задерживаются внутри клетки, то они быстро теряют свою энергию и не приносят пользы.

В прошлом году компания Alta Devices, соучредителем которой является Яблоновитч, создала прототип устройства на основе арсенида галлия, материала, который часто используется для постройки космических солнечных батарей. Эффективность новинки достигла 28,3%. Такой высокий результат был получен путем разработки специального дизайна, облегчающего испускание света. В частности, была увеличена отражательная способность зеркала на задней панели, которое направляет вошедшие в ячейку фотоны обратно, на фронтальную часть батареи. По словам Миллера, теория о том, что люминесцентные выбросы могут способствовать повышению напряжения, не нова. Но до сих пор эта идея никогда не использовалась в конструировании солнечных элементов. Профессор Яблоновитч надеется, что данная технология позволит достичь эффективности в 30% в ближайшие годы. А так как методика может быть распространена на все типы солнечных батарей (в том числе и многослойные), экономическая выгода от солнечной энергетики вырастет в разы.