15 июн. 2008 г.

Солнечное будущее мировой энергетики

Как известно, эффективность современных солнечных батарей во многом ограничена из-за того, что они не могут преобразовывать в электричество свет с низкой частотой и, соответственно, низкой энергией излучения. Другими словами, фотоны, энергия которых меньше ширины запрещенной зоны полупроводникового материала фотоэлектрического преобразователя, вообще не дают вклада в генерацию электрического тока в нагрузочной цепи солнечного элемента. А те фотоны, энергия которых превышает энергию ширины запрещенной зоны полупроводника, отдают только часть своей энергии на генерацию электрического тока. Оставшаяся часть энергии, превышающая энергию запрещенной зоны, рассеивается на колебаниях кристаллической решетки полупроводникового материала и относится к тепловым потерям.

Ключом к решению описанной выше проблемы может стать своеобразный технический “обман”. Необходимо сделать так, чтобы весь спектр излучения, падающего на поверхность солнечного элемента, преобразовывался в монохромное излучение, т.е. излучение с заданной длиной волны и энергией. В том случае, если энергия такого монохромного излучения будет равной энергии запрещенной зоны полупроводника, то энергетические потери в фотоэлектрическом преобразователе будут сведены к минимуму.

Усилия многих научных лабораторий мира направлены на то, чтобы позволить солнечным батареям работать с более широким диапазоном волн. Можно вспомнить интереснейшие работы по созданию полупроводниковых материалов с расщеплёнными полосами поглощения и солнечных батарей на их основе, преобразующих в ток фотоны сразу нескольких частот. Эти, давно начатые, работы продолжаются до сих пор, и успехи есть, но массового продукта на основе этой технологии пока нет.

Другой метод повышения эффективности батарей заключается в фильтрации излучения таким образом, чтобы на поверхность полупроводника падали только фотоны нужной частоты, которые он мог бы эффективно перерабатывать в электричество. Таковы, к примеру, голографические солнечные батареи.

Но, оказывается, возможен совсем иной подход к решению этой проблемы – технически абсолютно иной и очень изящный. Представьте, что некая система или некий процесс будут преобразовывать все фотоны падающего солнечного света в фотоны только одной частоты, той оптимальной, на которую рассчитан фотоэлектрический преобразователь. Тогда эффективность работы солнечной батареи можно было бы поднять до небывало высокого уровня.

В этом направлении очень интересные опыты провела недавно объединённая команда физиков из Института исследования полимеров Макса Планка в Майнце и лаборатории материаловедения Sony в Штутгарте. Исследователи направляли на ёмкость с особым жидким раствором луч зелёного цвета, а на выходе получали луч уже синего света. При этом важно отметить, что этот процесс, при котором два фотона низкой энергии преобразовывались в один высокоэнергетический фотон, ранее демонстрировался лишь с лазерными лучами, причём при высокой плотности энергии в пучке. Теперь же учёные продемонстрировали тот же эффект уже с обычным светом, так как их конечная цель – это преобразование солнечных лучей, падающих на фотоэлектрическую батарею.

Как все-таки работает описанный выше «синтез» фотонов? В растворе, созданном экспериментаторами, присутствуют два вида специфических молекул: так называемые “антенны” и “эмиттеры”. Молекула-антенна захватывает фотон с частотой, соответствующей зелёному свету, и переходит на более высокий энергетический уровень. Однако находится на нём не так уж долго, а отдаёт эту энергию молекуле-эмиттеру, как только та окажется поблизости. Отдав квант, антенна возвращается в невозбуждённое состояние, чтобы принять очередной фотон, а вот эмиттер перепрыгивает на высокий энергетический уровень и ждёт. А ждёт он, когда рядом окажется ещё одна такая же молекула-эмиттер, и тоже в возбуждённом состоянии. Тогда одна из них отдаёт энергию второй, после чего возвращается на исходный энергетический уровень. Второй же эмиттер, стало быть, получает уже энергию двух, так сказать, “зелёных фотонов”, которую излучает одной порцией в виде единственного “фотона синего цвета”.

Таким образом, энергия никуда не исчезает и не откуда не добавляется. Ровно сколько ватт излучения упало на единицу поверхности солнечного элемента в секунду, столько же и будет излучено на выходе из преобразователя излучения, но уже на другой частоте. Процесс этот чем-то напоминает те процессы, которые происходят в рабочем теле лазера, только речь идёт не о лазерном излучении, а об обычном свете.

Чтобы всё работало без потерь энергии, учёным пришлось поломать голову, подбирая подходящие вещества для антенн и эмиттеров. На эти роли подошли октаэтилпорфирин платины и дифинилантрацен. И это — только для зелёно-синего преобразования частоты. Однако авторы работы говорят, что в раствор можно ввести целый комплекс разных антенн и эмиттеров, подобрав их так, чтобы они реагировали на разные частоты падающего света, а излучали — причём все, — только одну частоту. Тот же синий свет, к примеру.

Представьте, что на такую установку падает белый цвет, а выходит синий, но не отфильтрованный цветным стеклом (понятно, тогда интенсивность такого излучения была бы во много раз ниже), а преобразованный, с тем же количеством энергии, что содержалось в исходном свете. Если за таким преобразователем поставить солнечную батарею, то получится система с очень высоким КПД.

Правда, пока до чудо-батарей еще очень далеко. Емкость для хранения жидкого раствора не устраивает создателей по конструктивным причинам, но они утверждают, что такого же эффекта преобразования частот солнечного света можно добиться и в твёрдом растворе — добавляя подходящие антенны и эмиттеры в толщу прозрачного полимера. Это, очевидно, будет следующим этапом в развитии новой технологии, с которым проводятся эксперименты в настоящее время. Также ученые работают по подбору других веществ, чтобы научиться преобразовывать в одну частоту широкий спектр падающих лучей.

Сказать, когда солнечные батареи, оснащённые таким удивительным фильтром, появятся в магазинах – сегодня сложно. Но уже ясно, что в будущем солнечные электростанции смогут играть более весомую роль в энергетике планеты, чем в настоящее время. Думаю, что мы с вами застанем эти времена. Бум солнечной энергетики не за горами. Это я вам говорю.

Специально для сайта "Солнечная энергетика"

Комментариев нет: