Фотоэлемент с рекордно высокой эффективностью разработан в Германии

Группой немецких физиков и инженеров заявлено о том, что создан фотоэлемент, у которого рекордно высокая эффективность. Его КПД — 44,7 процента. Это на 0,3 процента выше показателя представленного в июне 2013 года фотоэлемента, который создали специалисты компании Sharp. Подробности можно прочитать на сайте Института солнечной энергии Общества Фраунгофера.

 

Экспериментальный фотоэлемент, площадь которого всего в 5,2 квадратного мм, выдал ток в 192,1 миллиампера при напряжении до трех с половиной вольт. Измеренное значение КПД характеризует работу фотоэлемента при освещении концентрированным солнечным светом. 

 

Немецкая разработка обладает максимальной эффективностью, если фотоэлемент помещают в фокус вогнутого зеркала. Физики собрали в 297 раз больше света, чем падает на поверхность в обычных условиях. Они же применили четырехуровневую схему фотоэлемента. Вот так и удалось КПД солнечных батарей вывести на уровень, ранее не доступный.

 

Под четырехуровневой схемой необходимо понимать сочетание в одном устройстве четырех полупроводниковых элементов. Причем каждый такой элемент оптимизирован для того, чтобы поглощать кванты света с определенной энергией. Поскольку у солнечного света достаточно широкий спектр, то использование только одного полупроводникового перехода несет малый эффект. Ведь фотоны с большей или меньшей энергией становятся бесполезными. 

 

Впрочем, у наращивания числа полупроводниковых слоев есть свои недостатки. Например, самым очевидным из них следует считать возрастание технологической сложности, как и стоимости устройства. Новая разработка немецких специалистов имеет два перехода с максимумом эффективности в оптическом диапазоне и еще два, которые рассчитаны на ближнее инфракрасное излучение.

 

Теоретически КПД солнечных батарей имеет лимит, который ограничен чувствительностью полупроводниковых элементов к энергии квантов света. Есть и некоторые другие факторы. И в идеале батарея должна быть абсолютно черной, не греться. И у нее должно быть равное нулю электрическое сопротивление. 

 

Термодинамические расчеты, проведенные еще в 1980-х годах, показали, что одноэлементные солнечные батареи в принципе не могут иметь КПД выше 37 процентов. 36-уровневая схема, которая сомнительная с точки зрения практической реализации, не выйдет за отметку в 76 процентов. 

 

Также системы фокусировки света нельзя назвать идеальными. И только одна фокусирующая линза снижает теоретически возможный КПД со 100 процентов до 89. 

 

Альтернативой солнечным батареям могут служить нагрев теплоносителя, который затем будет вращать турбину. Кстати, такая схема далека от стопроцентной эффективности. Альтернативой также может стать массив наноантенн. Наноантенны действуют с инфракрасными и световыми волнами точно так же, как обычные антенны с радиоволной. Они тоже переводят колебания электромагнитного поля в электрический ток.