Группа немецких физиков и инженеров сообщила о создании фотоэлемента с рекордно высокой эффективностью. КПД новой разработки составляет 44,7 процента,
что на 0,3 процента выше показателя представленного в июне 2013 года
фотоэлемента, созданного специалистами компании Sharp. Подробности
приведены на официальном сайте Института солнечной энергии Общества
Фраунгофера.
Экспериментальный фотоэлемент площадью всего в 5,2 квадратных
миллиметра выдал ток в 192,1 миллиампера при напряжении до трех с
половиной вольт. Измеренное немецкими специалистами значение КПД
характеризует работу фотоэлемента при освещении концентрированным
солнечным светом:
их разработка (как, впрочем и все аналогичные устройства)
обладает максимальной эффективностью при помещении в фокус вогнутого
зеркала.
Собрав в 297 раз больше света, чем падает на поверхность в обычных
условиях и применив четырехуровневую схему фотоэлемента, КПД солнечных
батарей удалось вывести на ранее недоступный уровень (плюс 0,3 процента к
рекорду июня 2013 года и больше процента к показателю немецкой группы в
мае, 43,6 процента).
Четырехуровневая схема означает сочетание в одном устройстве четырех
полупроводниковых элементов, каждый из которых оптимизирован для
поглощения квантов света с определенной энергией. Так как солнечный свет
имеет достаточно широкий спектр, то применение всего одного
полупроводникового перехода малоэффективно: фотоны с большей или меньшей
энергией окажутся бесполезны. Наращивание числа полупроводниковых
слоев, впрочем, тоже имеет свои недостатки, самым очевидным из которых
является возрастание технологической сложности и стоимости устройства.
В новой разработке немецких специалистов применены два
перехода с максимумом эффективности в оптическом диапазоне и два
рассчитанных на ближнее инфракрасное излучение.
Рис. 1. Эффективность отдельных элементов. График: Fraunhofer ISE.
По горизонтали – длина волны в нанометрах (видимый свет
заканчивается на отметке около 730 нанометров, правее идет
ИК-излучение). По вертикали – теоретическая эффективность квантового
поглощения одной из четырех полупроводниковых структур. Обратим
внимание, что это идеальный показатель, реальный КПД будет намного ниже
из-за термодинамических ограничений. Научные статьи с расчетом этих
потерь представлены еще в 1980-х годах.
Теоретически КПД солнечных батарей лимитирован как
ограниченной чувствительностью полупроводниковых элементов к энергии
квантов света, так и рядом других факторов.
Идеальная батарея должна быть совершенно черной, не греться и иметь равное нулю электрическое сопротивление.
Проведенные еще в 1980-х годах термодинамические расчеты
показали, что одноэлементные солнечные батареи в принципе не могут иметь
КПД выше 37 процентов, а сомнительная с точки зрения практической
реализации 36-уровневая схема не сможет выбраться за отметку в
76 процентов.
Кроме того, системы фокусировки света тоже неидеальны и одна лишь
фокусирующая линза снижает теоретически возможный КПД со ста процентов
до 89. В качестве альтернативы солнечным батареям можно использовать
либо нагрев теплоносителя, который затем будет вращать турбину (такая
схема, впрочем, тоже далека от стопроцентной эффективности), либо массив наноантенн.
Наноантенны работают с инфракрасными и световыми волнами
так же, как обычные антенны с радиоволной, то есть переводят колебания
электромагнитного поля напрямую в электрический ток.
- Источник(и):
1. lenta.ru
| 
