Поставлено новий рекорд ефективності сонячних батарей

Група німецьких фізиків та інженерів повідомила про створення фотоелемента з рекордно високою ефективністю. ККД нової розробки становить 44,7 відсотка, що на 0,3 відсотка вище показника представленого в червні 2013 року фотоелемента, створеного фахівцями компанії Sharp. Подробиці наведені на офіційному сайті Інституту сонячної енергії Товариства Фраунгофера.

Експериментальний фотоелемент площею всього в 5,2 квадратних міліметра видав струм в 192,1 міліампера при напрузі до трьох з половиною вольт. Виміряне німецькими фахівцями значення ККД характеризує роботу фотоелемента при висвітленні концентрованим сонячним світлом, їхня розробка (як, втім і всіх аналогічних пристроїв) володіє максимальною ефективністю при переміщенні в фокус увігнутого дзеркала. Зібравши в 297 разів більше світла, ніж падає на поверхню в звичайних умовах і застосувавши чотирьохрівневу схему фотоелемента, ККД сонячних батарей вдалося вивести на раніше недоступний рівень (плюс 0,3 відсотка до рекорду червня 2013 і більше відсотка до показника німецької групи в травні, 43,6 відсотка).

Чотирьохрівнева схема означає поєднання в одному пристрої чотирьох напівпровідникових елементів, кожен з яких оптимізовано для поглинання квантів світла з певною енергією. Так як сонячне світло має досить широкий спектр, то застосування всього одного напівпровідникового переходу малоефективно, фотони з більшою або меншою енергією виявляться марні. Нарощування числа напівпровідникових шарів, втім, теж має свої недоліки, найочевиднішим з яких є зростання технологічної складності і вартості пристрою. У новій розробці німецьких фахівців застосовані два переходи з максимумом ефективності в оптичному діапазоні і два розрахованих на ближнє інфрачервоне випромінювання.

Теоретично ККД сонячних батарей лімітований як обмеженою чутливістю напівпровідникових елементів до енергії квантів світла, так і рядом інших факторів. Ідеальна батарея повинна бути абсолютно чорною, не грітися і мати рівний нулю електричний опір. Проведені ще в 1980-х роках термодинамічні розрахунки показали, що одноелементні сонячні батареї в принципі не можуть мати ККД вище 37 відсотків, а сумнівна з точки зору практичної реалізації 36-рівнева схема не зможе вибратися за позначку в 76 відсотків. Крім того, системи фокусування світла теж неідеальні і одна лише фокусуюча лінза знижує теоретично можливий ККД зі ста відсотків до 89. В якості альтернативи сонячним батареям можна використовувати або нагрів теплоносія, який потім буде обертати турбіну (така схема, втім, теж далека від стовідсоткової ефективності), або масив наноантенн. Наноантени працюють з інфрачервоними і світловими хвилями так само, як звичайні антени з радіохвилею, тобто переводять коливання електромагнітного поля безпосередньо в електричний струм.