Асиметрията на инверсията на времето надвишава границата на ефективност на преобразуване за слънчеви клетки

Вестник по фотоника за енергия (2022) DOI: 10.1117/1.JPE.12.032207.” width=”800″ height=”450″/>

За разлика от многофотоволтаична клетъчна система, при която излъчваната светлина се абсорбира от следваща клетка (вляво), едноклетъчният нереципрочен фотоволтаичен преобразувател, предложен от Сергеев и Саблон (вдясно), причинява реабсорбиране на излъчваната светлина от същата клетка, ограничавайки емисиите загуби без нужда от допълнителни фотоволтаични клетки. Кредит: Сергеев и Саблон, Вестник по фотоника за енергия (2022) DOI: 10.1117/1.JPE.12.032207.

Слънчевата енергия е популярен кандидат за устойчива алтернатива на изкопаемите горива. Слънчева клетка или фотоволтаична (PV) клетка преобразува слънчевата светлина директно в електричество. Ефективността на преобразуването обаче не е достатъчна, за да позволи широко приложение на слънчеви клетки.

Основна граница на максималната ефективност на фотоволтаичните устройства се дава от термодинамичните характеристики, а именно температурата и ентропията (мярка за разстройство в системата). По-конкретно, тази граница, известна като границата на Ландсберг, се налага от ентропията на радиацията на черното тяло, която често се приписва на слънчевата светлина. Границата на Ландсберг се счита за най-общата граница за ефективността на всеки преобразувател на слънчева светлина.

Друга граница, наречена граница на Шокли-Квайсер (SQ), идва от закона на Кирхоф, който гласи, че абсорбционната и излъчваната способност трябва да са равни за всяка енергия на фотон и за всяка посока на разпространение. По същество принципът на “подробен баланс” е този, който управлява работата на слънчевите клетки от десетилетия. Законът на Кирхоф всъщност е следствие от това, което се нарича „симетрия на обръщане на времето“. Един от начините за заобикаляне на SQ ограничението е да се наруши тази симетрия, като се позволи на светлината да се разпространява само в една посока. Просто казано, границата на SQ може да бъде надвишена, ако PV преобразувателят абсорбира повече и излъчва по-малко радиация.

В ново проучване, публикувано в Вестник по фотоника за енергия (JPE), изследователите Андрей Сергеев от Изследователската лаборатория на армията на САЩ и Кимбърли Саблон от Army Futures Command и Texas A&M University предлагат начин за нарушаване на SQ границата с помощта на „нереципрочни фотонни структури“, които могат значително да намалят емисиите на PV преобразувател, без да засягат неговия пълно поглъщане на светлина.

Изследването изследва едноклетъчен фотоволтаичен дизайн, интегриран с нереципрочни оптични компоненти, за да осигури 100% повторно използване на радиацията, излъчвана от същата клетка, поради нереципрочно рециклиране на фотони. Това контрастира с предишните проекти, които разглеждаха PV преобразувател с множество клетки с множество връзки, подредени по такъв начин, че светлината, излъчвана от една клетка, се абсорбира от друга.

След основополагащата работа на Лоренц, фон Лауе, Айнщайн, Ландау, Брилоуин и Шрьодингер, Сергеев и Саблон също обсъждат слънчевата ентропия от гледна точка на кохерентност, относителност, неравновесни разпределения, разстройство, информация и негентропия. Авторите отбелязват, че за разлика от силно неуреденото излъчване вътре в слънцето, фотоните на слънчевата светлина пътуват по прави линии под тесен плътен ъгъл. За Сергеев и Саблон това наблюдение предполага, че слънчевата светлина ни осигурява истинска зелена енергия и че нейната ефективност на преобразуване зависи само от това как ще я преобразуваме.

Авторите показаха, че за квазимонохроматично излъчване нереципрочният едноклетъчен фотоволтаичен преобразувател постига теоретичния максимум “ефективност на Карно”, ефективността на идеален топлинен двигател, който надхвърля границата на Ландсберг. Такъв беше и случаят с многоцветното излъчване (характерно за слънчевата светлина).

Интересното е, че това решава термодинамичен парадокс, свързан с оптичен диод. Парадоксът показва, че един оптичен диод може да повиши температурата на абсорбера над температурата на слънцето, като позволява само еднопосочно разпространение на светлината. Това би нарушило втория закон на термодинамиката. Проучването показа, че ще е необходим безкраен брой рециклиране на фотони, за да се постигне ефективност на Карно и следователно ще се наруши закона.

Освен това, изследователите обобщиха термодинамичните съображения за извънравновесни фотонни разпределения с индуциран от светлина ненулев химически потенциал и изведоха ограничаващата ефективност на нереципрочен едноклетъчен PV преобразувател.

„Това изследване е мотивирано от бързия напредък в нереципрочната оптика и от разработването на евтини фотоволтаични материали с висока квантова ефективност“, казва Сергеев, цитирайки по-специално перовскитните материали и отбелязвайки: „Слабата нерекомбинационна радиация в тези материали би позволяват разширено подобряване на PV преобразуването чрез управление на радиационни процеси.”

С увеличаването на нереципрочните фотонни структури, в близко бъдеще може да се очаква развитието на високоефективни фотоволтаични преобразуватели. Тъй като търсенето на устойчиви решения на глобалната енергийна криза продължава, това проучване предлага голяма надежда за технологията на слънчевите клетки.


Новата архитектура на слънчевите клетки се представя добре при натоварвания в реалния свят


Повече информация:
Андрей Сергеев и др., Нереципрочно фотонно управление за фотоволтаично преобразуване: дизайн и основни граници на ефективност, Вестник по фотоника за енергия (2022 г.). DOI: 10.1117/1.JPE.12.032207

Предоставено от SPIE – Международно дружество за оптика и фотоника

цитат: Асиметрията при обръщане на времето надвишава границата за ефективност на преобразуване за слънчеви клетки (1 юни 2022 г.) Извлечено на 2 юни 2022 г. от https://phys.org/news/2022-06-time-reversal-asymmetry -surpasses-conversion-efficiency.html

Този документ е обект на авторско право. Освен за честна употреба за целите на частно проучване или изследване, никоя част не може да бъде възпроизвеждана без писмено разрешение. Съдържанието е предоставено само за информация.

Add Comment