ЖИЗНЬ В СТИЛЕ ЭКО НАУЧНО-ПОПУЛЯРНЫЙ ПОРТАЛ

Солнечная энергетика » Научные разработки

26.10.2016

Новый рекорд эффективности фотоэлементов с нанопроволокой

Новый рекорд эффективности фотоэлементов с нанопроволокой
Схематичная структура нанопроволочного фотоэлемента (изображение: www.tue.nl / geektimes.ru)

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.

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.
 
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.
 
Фотоэлемент со стоячими нановолокнами арсенида галлия (фото: Нанотехнологический центр Института Нильса Бора (Дания) / geektimes.ru)
 
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.
 
Если принять «читерство» с резонансом, то нановолокна вообще должны преодолеть фундаментальный предел 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.
 
 
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.
 
В пресс-релизе университета особо отмечается, что доктор ван Дам известен как победитель сезона телевизионной викторины Met het Mes op Tafel, в которой сочетаются покер и эрудиция.
 
 
 

 

Новотека
Загружается, подождите...
  • 10 оригинальных пешеходных мостов со всего мира 10 оригинальных пешеходных мостов со всего мира
  • Чудо инженерной мысли: судоходные мосты-каналы Чудо инженерной мысли: судоходные мосты-каналы
  • Мини-садики, которые легко можно сделать собственными руками Мини-садики, которые легко можно сделать собственными руками
  • Самые низкие точки планеты Земля Самые низкие точки планеты Земля
  • 10 крупнейших и красивейших водопадов мира 10 крупнейших и красивейших водопадов мира
  • PocketPower - карманное складное солнечное зарядное устройство
  • Красота и бренность бытия в лэнд-арте Джима Деневана
  • Революционная ветротурбина Tyer Wind, напоминающая парящую колибри
  • Навес Sun&Shade обеспечивает тень и способствует сбору солнечной энергии
  • SolPad расширяет возможности использования солнечной энергии в быту
Ошибка при вводе логина или пароля!