Более эффективные подводные фотоэлементы

Американские исследователи провели подробные расчеты баланса, чтобы показать максимальный потенциал подводных солнечных элементов.

Согласно их выводам, устройства могут теоретически производить полезную мощность с КПД до 65% в чистой воде. Однако это было бы возможно только при использовании широкозонных полупроводников, которые не рассматривались для солнечных элементов, используемых для наземных применений, поскольку их запрещенные зоны слишком велики.

Подводные фотоэлементы с широкозонными полупроводниками

Исследовательская группа из Нью-Йоркского университета пытается оценить пределы потенциальной эффективности подводных солнечных элементов.

Подписывайтесь на наш youtube канал!

Ученые утверждают, что такие устройства могут генерировать полезную энергию в глубоких водах. Но они отметили, что более широкозонные полупроводники должны использоваться для элементов вместо узкополосных материалов, которые используются для традиционных кристаллических фотоэлектрических устройств.

«Предыдущие попытки использовать подводные солнечные элементы для запуска автономных систем имели ограниченный успех из-за использования солнечных элементов, изготовленных из кремния (Si) или аморфного кремния (a-Si), которые имеют ширину запрещенной зоны 1,11 и 1,8 электронвольт (эВ) соответственно и оптимизированы для работы на суше», - сказали исследователи.

Другие исследования показали, что солнечные элементы на основе фосфида индия-галлия (InGaP), имеющие ширину запрещенной зоны около 1,8 эВ, могли бы быть более эффективными в производстве энергии на глубинах до девяти метров ниже уровня моря. Однако устройства все еще слишком дороги, несмотря на недавний прогресс в снижении затрат.

В качестве альтернативы исследователи предложили использовать органические и неорганические широкозонные полупроводники, которые в настоящее время не рассматриваются для солнечных элементов, поскольку их запрещенные зоны слишком велики для наземных применений.

Кристаллические солнечные элементы на основе узкозонных полупроводников имеют максимальную теоретическую эффективность 34%, что является так называемым пределом Шокли-Кейзера. Исследователи заявили, что внутренние солнечные элементы на основе органических материалов могут достигать максимальной теоретической эффективности около 60% при освещении светодиодами (LED) и около 67% при освещении натриевыми газоразрядными лампами.

Что касается солнечных элементов, использующих широкополосные полупроводники, работающих под водой, ученые подсчитали, что их максимальная теоретическая эффективность составляет от 55% на двух метрах до более 63% на 50 метрах. «Значительное повышение эффективности солнечного элемента за пределами предела Шокли-Кейссера, даже на мелководье (два метра), обусловлено сужением спектра прошедшего солнечного излучения, достигающего солнечного элемента», - пояснили они. «Дополнительное повышение эффективности может быть достигнуто, когда солнечные элементы работают в холодных водах».

Исследовательская группа заявила, что оптимальная ширина запрещенной зоны поглотителя элементов изменяется от примерно 1,8 эВ при работе на двух метрах до примерно 2,4 эВ на 50 метрах, при этом плато с шириной запрещенной зоны составляет примерно 2,1 эВ между четырьмя и 20 метрами. «Мы также показываем, что оптимальные значения ширины запрещенной зоны более или менее не зависят от того, в каких водах размещен солнечный элемент, что очень выгодно с точки зрения проектирования, поскольку солнечные элементы не должны были бы адаптироваться к конкретным водам, а скорее на конкретные эксплуатационные глубины», - сказали они.

Исследователи отметили несколько прямых неорганических широкозонных полупроводников, которые могут быть исследованы для применения в подводных солнечных элементах. Они включают гидрированный аморфный кремний, полупроводники, такие как пероксид меди (CuO2) и теллурид цинка (ZnTe), а также полупроводники III-V, такие, как арсенид алюминия-галлия (AlGaAs), фосфид индия-галлия (InGaP) и арсенидфосфид галлия (GaAsP).

Они добавили, что органические широкозонные полупроводники, такие как производные рубрена, пентацена и п- фениленвинилена, могут быть хорошими кандидатами для получения таких элементов. «С недавней разработкой замены фуллеренов акцепторами не-фуллеренов для достижения как более эффективных органических солнечных элементов, так и улучшенной стабильности устройства был разработан ряд новых широкозонных полупроводниковых донорных материалов, дающих более высокую эффективность, чем традиционные системы, в сочетающимися с производными фуллерена », - говорят ученые.

«Поскольку широкозонные полупроводники обычно не требуются для сбора наружной солнечной энергии, большую библиотеку неорганических и органических широкозонных полупроводников, которые в настоящее время не рассматриваются для наземных солнечных элементов, потенциально можно использовать в качестве  эффективных подводных солнечных элементов », - заключили они. опубликовано econet.ru по материалам sciencenews.org

Подписывайтесь на наш канал Яндекс Дзен!

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление - мы вместе изменяем мир! © econet