Как обойти предел эффективности солнечных панелей: физики нашли способ поднять КПД почти до 43%

Исследователи из Института фотонных наук (ICFO) в Барселоне предложили принципиально новый метод борьбы с паразитными потерями энергии в фотоэлектрических панелях. Вместо традиционных попыток уловить как можно больше спектра света, ученые сфокусировались на контроле обратного излучения: они ограничили направления, в которых сама солнечная ячейка сбрасывает фотоны обратно в окружающую среду. В теории этот метод позволяет поднять предельную планку эффективности стандартных однопереходных элементов с текущих 33% почти до 43%.

Физическая проблема, которую решает открытие, кроется в фундаментальной термодинамике. Солнечный свет падает на кремниевую или полимерную пластину из очень узкого сектора неба, где находится само светило. Однако поглощенная энергия частично переизлучается веществом обратно во всех направлениях сразу (так называемая энтропийная, или больцмановская потеря), что заметно снижает выходное электрическое напряжение.

Оптическая ловушка для фотонов

Группа физиков под руководством профессора Жорди Мартореля экспериментально доказала, что рассеивание света можно обуздать. В исследовании ICFO органический фотоэлемент на базе полимерной смеси PM6:Y6 превратили в микроскопический оптический резонатор. Тончайшие серебряные электроды и дополнительные промежуточные слои настроили так, чтобы они беспрепятственно впускали прямой солнечный свет, но отражали фотоны, пытающиеся вырваться наружу под широкими углами.

В результате переизлученный свет выходит из ячейки только через узкий конус, направленный строго в сторону пришедших лучей. Это позволило сократить потери напряжения без перехода на сложные и дорогие многослойные тандемные конструкции, сообщает научный журнал Energy & Environmental Science.

Теоретический потенциал против реального производства

Ключевая цифра в 43% пока остается математическим пределом технологии, а не показателем готового образца на заводском конвейере. Классический предел Шокли — Квиссера для базовых однопереходных солнечных панелей составляет 33,16%. Разработка испанских физиков доказывает, что этот барьер преодолим в рамках законов квантовой оптики, отмечает профильное издание Interesting Engineering.

Хотя авторы тестировали концепцию на органических полимерах, физический принцип управления световым конусом универсален: его можно внедрить в стандартный кремний или перовскиты. Конструкция оптической полости не требует редких материалов или радикальной перестройки фабричных линий.

Если технологию доведут до промышленных масштабов, солнечные электростанции смогут генерировать почти в полтора раза больше киловатт-часов с того же участка земли. Однако до появления коммерческих панелей нового типа пройдут годы прикладных инженерных тестов.