В отличие от системы с несколькими фотогальваническими элементами, в которой излучаемый свет поглощается последующим элементом (слева), невзаимный фотоэлектрический преобразователь с одним элементом, предложенный Сергеевым и Саблоном (справа), вызывает повторное поглощение излучаемого света той же ячейкой, ограничивая потери излучения без потребность в дополнительных фотоэлементах. Авторы и права : Сергеев и Саблон, Журнал фотоники для энергетики (2022 г.) DOI: 10.1117/1.JPE.12.032207.

Фундаментальный предел максимальной эффективности фотоэлектрических устройств определяется термодинамическими характеристиками, а именно температурой и энтропией (мерой беспорядка в системе). В частности, этот предел, известный как предел Ландсберга, определяется энтропией излучения абсолютно черного тела, которое часто связывают с солнечным светом. Предел Ландсберга широко считается наиболее общим пределом эффективности любого преобразователя солнечного света.

Другой предел, называемый пределом Шокли-Квиссера (SQ), исходит из закона Кирхгофа, который гласит, что поглощательная и излучательная способности должны быть равны для любой энергии фотона и для любого направления распространения. По сути, это принцип «детального баланса», который десятилетиями регулировал работу солнечных элементов. Закон Кирхгофа, по сути, является следствием так называемой «симметрии обращения времени». Таким образом, один из способов обойти ограничение SQ состоит в том, чтобы нарушить эту симметрию, позволив свету распространяться только в одном направлении. Проще говоря, предел SQ можно превзойти, если фотоэлектрический преобразователь поглощает больше и излучает меньше излучения.

В новом исследовании, опубликованном в Journal of Photonics for Energy ( JPE ), исследователи Андрей Сергеев из исследовательской лаборатории армии США и Кимберли Саблон из армейского командования Futures и Техасского университета A&M предлагают способ преодолеть предел SQ за счет использования «невзаимных фотонных структур». ", который может резко уменьшить излучение фотоэлектрического преобразователя, не влияя на его общее поглощение света.

В исследовании исследуется конструкция фотоэлектрического модуля с одной ячейкой, интегрированная с невзаимными оптическими компонентами, чтобы обеспечить 100-процентное повторное использование излучаемого излучения одной и той же ячейкой благодаря невзаимной рециркуляции фотонов. Это контрастирует с предыдущими конструкциями, в которых рассматривался фотоэлектрический преобразователь с несколькими многопереходными ячейками, устроенными таким образом, что свет, излучаемый одной ячейкой, поглощался другой.

Следуя основополагающим работам Лоренца, фон Лауэ, Эйнштейна, Ландау, Бриллюэна и Шредингера, Сергеев и Саблон также обсуждают энтропию солнечного света с точки зрения когерентности, относительности, неравновесных распределений, беспорядка, информации и негэнтропии. Авторы отмечают, что в отличие от сильно неупорядоченного излучения внутри Солнца фотоны в солнечном свете движутся по прямым линиям под узким телесным углом. Для Сергеева и Саблона это наблюдение предполагает, что солнечный свет дает нам настоящую зеленую энергию, и эффективность ее преобразования зависит только от того, как мы будем ее преобразовывать.

Авторы показали, что для квазимонохроматического излучения невзаимный фотоэлектрический преобразователь с одной ячейкой достиг теоретически максимальной «эффективности Карно», эффективности идеальной тепловой машины, превышающей предел Ландсберга. Так было и с многоцветным излучением (характерным для солнечного света).

Интересно, что это помогло разрешить термодинамический парадокс, связанный с оптическим диодом. Парадокс заключался в том, что оптический диод может повысить температуру поглотителя выше температуры солнца, допуская только одностороннее распространение света. Это нарушило бы второй закон термодинамики. Исследование показало, что для достижения эффективности Карно потребуется бесконечное количество рециклов фотонов, что нарушит закон.

Кроме того, исследователи обобщили термодинамические соображения на неравновесное распределение фотонов с индуцированным светом ненулевым химическим потенциалом и получили предельную эффективность невзаимного одноэлементного фотоэлектрического преобразователя.

«Это исследование было мотивировано быстрым прогрессом в невзаимной оптике и разработкой недорогих фотогальванических материалов с высокой квантовой эффективностью», — говорит Сергеев, цитируя, в частности, перовскитовые материалы и отмечая: «Слабая безызлучательная рекомбинация в этих материалах позволила бы значительно улучшить Преобразование PV через управление радиационными процессами».

С появлением невзаимных фотонных структур в ближайшем будущем можно ожидать разработки высокоэффективных фотоэлектрических преобразователей. Поскольку охота за устойчивыми решениями мирового энергетического кризиса продолжается, это исследование дает большие надежды на технологию солнечных батарей.