Як обійти межу ефективності сонячних панелей: фізики знайшли спосіб підняти ККД майже до 43%

Дослідники з Інституту фотонних наук (ICFO) у Барселоні запропонували принципово новий метод боротьби з паразитними втратами енергії у фотоелектричних панелях. Замість традиційних спроб уловити якомога більше спектра світла вчені зосередилися на контролі зворотного випромінювання: вони обмежили напрямки, у яких сама сонячна комірка віддає фотони назад у довкілля. У теорії цей метод дає змогу підняти граничну межу ефективності стандартних одноперехідних елементів із нинішніх 33% майже до 43%.

Фізична проблема, яку розв’язує відкриття, криється у фундаментальній термодинаміці. Сонячне світло падає на кремнієву чи полімерну пластину з дуже вузького сектора неба, де розташоване саме світило. Однак поглинута енергія частково перевипромінюється речовиною назад у всіх напрямках одразу (так звана ентропійна, або больцманівська втрата), що помітно знижує вихідну електричну напругу.

Оптична пастка для фотонів

Група фізиків під керівництвом професора Жорді Мартореля експериментально довела, що розсіювання світла можна приборкати. У дослідженні ICFO органічний фотоелемент на основі полімерної суміші PM6:Y6 перетворили на мікроскопічний оптичний резонатор. Найтонші срібні електроди та додаткові проміжні шари налаштували так, щоб вони безперешкодно впускали пряме сонячне світло, але відбивали фотони, які намагаються вирватися назовні під широкими кутами.

У результаті перевипромінене світло виходить із комірки лише через вузький конус, спрямований строго в бік променів, що надійшли. Це дало змогу скоротити втрати напруги без переходу на складні й дорогі багатошарові тандемні конструкції, повідомляє науковий журнал Energy & Environmental Science.

Теоретичний потенціал проти реального виробництва

Ключова цифра в 43% поки залишається математичною межею технології, а не показником готового зразка на заводському конвеєрі. Класична межа Шоклі — Квіссера для базових одноперехідних сонячних панелей становить 33,16%. Розробка іспанських фізиків доводить, що цей бар’єр можна подолати в межах законів квантової оптики, зазначає профільне видання Interesting Engineering.

Хоча автори тестували концепцію на органічних полімерах, фізичний принцип керування світловим конусом універсальний: його можна впровадити у стандартний кремній або перовскіти. Конструкція оптичної порожнини не потребує рідкісних матеріалів чи радикальної перебудови фабричних ліній.

Якщо технологію доведуть до промислових масштабів, сонячні електростанції зможуть генерувати майже в півтора раза більше кіловат-годин із тієї самої ділянки землі. Однак до появи комерційних панелей нового типу мине не один рік прикладних інженерних тестів.