Дом

КПД фотоэлементов с нанопроволокой подняли до 17,8%

Исследователи из Технического университета Эйндховена (Нидерланды) установили новый рекорд эффективности фотоэлементов с нанопроволокой: 17,8%. Это относительно новый тип солнечных батарей, который изобрели менее десятилетия назад. За такой короткий срок ему удалось приблизиться по эффективности к традиционным видам однослойных фотоэлементов.

КПД фотоэлементов с нанопроволокой подняли до 17,8%

Схематичная структура нанопроволочного фотоэлемента

Столь быстрый прогресс указывает, что нанопроволочные фотоэлементы — очень перспективная технология. Об этом изобретатели говорили с самого начала. «Фокусировка» фотонов через нанопровода выглядит настолько соблазнительно, что можно мечтать о кардинальном повышении КПД.

КПД фотоэлементов с нанопроволокой подняли до 17,8%
Фотоэлемент со стоячими нановолокнами арсенида галлия.


В отличие от других типов фотоэлементов, нанопроволочные фотоэлементы состоят не из цельных плотных слоёв, а из решётки вертикальных волокон толщиной примерно 200 нанометров каждое.

В 2013 году Петер Крогструп из Нанотехнологического центра Института Нильса Бора (Дания) вместе с учёными из Федеральной политехнической школы Лозанны (Швейцария) сконструировали прототип фотоэлемента площадью 1 мм2 со стоячими нановолокнами арсенида галлия. При обычном солнечном освещении с фотоэлемента сняли ток, соответствующий 24,6 мА на квадратный сантиметр поверхности. Фактически, стоячие нановолокна концентрировали свет с площади, в 15 раз больше их суммарных сечений.

Такие феноменальные показатели объясняются резонансом волн видимого света, длина которых меньше сечения стоячего волокна. Сталкиваясь со стоячими волокнами, соседние волны входят в резонанс. Решётка стоячих волокон как пылесосом «всасывает» в себя окружающий свет.

 

Примечание уважаемого KhKnstn: Снимаемый с фотоэлемента ток зависит от генерации носителей заряда, которые возбуждаются при поглощении ими фотонов света. Обычный солнечный свет — это стандартная величина с известной спектральной плотностью фотонов с суммарной мощностью 100 мВт/см². Для фосфида индия, использованного в исследовании 2016 года, максимальный ток может быть 34,5 мА/см².

Вообще тут ещё нужно понимать логический трюк с концентрацией света в 15 раз больше. Дело в расположении наноштырей друг относительно друга и соотношения площади поверхности, которую наноштырь занимает, по отношению к незанятому пространству. Но это не играет никакой роли, потому что обычно получаемая энергия нормируется к площади освещённой поверхности.


Если принять «читерство» с резонансом, то нановолокна вообще должны преодолеть фундаментальныйпредел Шокли-Квайссера, который составляет 33,7% для ячейки с одним p-n переходом, 42% для двухслойной ячейки, 49% для трёхслойной и 68% для гипотетической ячейки с бесконечным количеством слоёв.

КПД фотоэлементов с нанопроволокой подняли до 17,8%


Рекордный КПД разных типов фотоэлементов, 1976-2016 гг

Вскоре после первых прототипов другие учёные начали экспериментировать с реальными нанопроволочными фотоэлементами. КПД таких элементов стал быстро расти.

Сейчас группа исследователей из Технического университета Эйндховена впервые продемонстрировала в реальных условиях КПД нанопроволочного фотоэлемента 17,8%. Как считают исследователи, это далеко не предел. Авторы научной работы Дик ван Дам (Dick van Dam) и Инчао Цуй (Yingchao Cui) уверены, что рекорд быстро падёт. Они предсказывают, что рубеж КПД в 20% будет преодолён в течение двух лет. Повышение КПД связано с теоретической работой физиков, которые рассчитали более эффективную форму и диаметр нановолокон, а также их взаимное расположение. Их достижение — именно в оптимизации «леса» нановолокон, что позволило снизить количество дефектов.

Предыдущее рекордное достижение для этого типа фотоэлементов составляло 15,3%. Такой результат показали исследователи из Университета Лунда (Швеция). Считается, что теоретический предел КПД для нанопроволочного фотоэлемента составляет 46%, то есть намного выше фундаментального предела Шокли-Квайссера для традиционных элементов, где не задействуется эффект резонанса.

Учёные подчёркивают, что ещё одним преимуществом нанопроволочных фотоэлементов является их теоретическая дешевизна в массовом производстве, даже по сравнению с обкатанной десятилетиями технологией изготовления традиционных фотоячеек. Важное преимущество, что для изготовления новых ячеек требуется в пять раз меньше материала. Это не только дешевле и энергоэффективнее. Чем меньше материала — тем меньше дефектов и бракованных партий. По крайней мере, теоретически.

Чтобы нанопроволочные фотоэлементы стали коммерчески привлекательными, они должны сравняться с обычными элементами по стоимости и КПД. Для этого нужно довести КПД хотя бы до 25% и усовершенствовать технический процесс их изготовления. Дальнейшее удешевление может быть достигнуто путём перехода от использования редких металлов, таких арсенид галлия и фосфид индия, к более распространённому кремнию. Ещё один путь удешевления — изобретение техпроцесса по производству фотоэлементов без использования толстой подложки.

За свою работу по расчёту и изготовлению нанопроволочных фотоэлементов с рекородным КПД Дик ван Дам 17 октября 2016 года получил докторскую степень (PhD) в Техническом университете Эйндховена. К сожалению, его докторская диссертация не опубликована в открытом доступе. До проведения независимой рецензии и публикации научной статьи в официальном журнале автор воздерживается от разглашения технических деталей изобретения. опубликовано econet.ru 

 

Источник: https://econet.ru/

Комментарии (Всего: 0)

    Добавить комментарий

    Не бойтесь кого—то потерять. Вы не потеряете того, кто нужен Вам по жизни. Теряются те, кто послан вам для опыта. Остаются те, кто послан Вам судьбой. Фридрих Ницше
    Что-то интересное
    Больше материалов
    Больше материалов