Среди военнослужащих бытует поговорка, согласно которой для того, чтобы обучиться искусному командованию, прежде всего, необходимо обучиться искусному подчинению. Последние исследования ученых доказали подобную закономерность в мире техники. Как оказалось, эффективность абсорбции солнечного света и дальнейшее преобразование его в электрический ток за счет фотоэлектрических элементов, напрямую зависит от их способности излучать световые волны.
Ученые из университета в Беркли, что в американском штате Калифорнии, идентифицировали и произвели демонстрацию парадоксального свойства. Для того, чтобы захват света и выработка электрической энергии в фотоэлектрических элементах происходили с максимальной эффективностью, он должен быть сконструирован по принципу светодиода, предназначенного для противоположной функции – излучения света.
Еще в далеком тысяча девятьсот шестьдесят первом году ученые пришли к выводу, что производительность солнечных элементов ограничена. Их абсолютным теоретическим пределом принято считать эффективность в тридцать три целых и пять десятых процентов. Это означает, что в электрическую энергию можно преобразовать не боле 33.5 процента ниспадающего на фотоэлектрический элемент светового потока. За прошедшее время ученым не удалось достигнуть заветного предела и на сегодняшний день практически достижимой величиной эффективностью фотоэлектрических батарей является двадцать шесть процентов.
Справедливости ради необходимо отметить, что упомянутые цифры применимы лишь к простым однопереходным фотоэлектрическим элементам, которые поглощают световые волны выше определенных частот. Более сложные структуры способны обеспечить значительно более высокую эффективность.
Группой ученых под руководством профессора Яблоновича была предпринята попытка выяснить, чем именно обусловлен столь большой разрыв между практической и теоретической производительностью фотоэлектрических элементов. Полученное решение оказалось невероятно простым, хоть с первого взгляда и противоречит здравому смыслу. Основой для решения стала математическая связь между излучением света и его поглощением. Связь люминесцентной эмиссии с напряжением была известна ученым давно, однако до сих пор она не рассматривалась в контексте фотоэлектрических панелей.
Напряжение возникает на выходе фотоэлектрического элемента, когда частица солнечного света ударяется в полупроводниковый материал, образующий ячейку. Энергия фотона высвобождает из структуры материала электроны, в результате чего они становятся свободными. Примечательно, что в процессе освобождения электронов происходит также и генерация новых фотонов. Данный процесс получил название люминесценция. Ученые пришли к выводу, что необходимо обеспечить эмитированным фотонам максимально скорый выход из ячейки.
На первый взгляд может показаться, что выгоднее бы было удержать образовавшиеся фотоны, чтобы под их действием происходило образование большего числа свободных электронов, и напряжение на выходе фотоэлектрического элемента повышалось. Данный взгляд опровергли математические расчеты, показавшие обратную зависимость, то есть рост напряжения наблюдается при удалении новых фотонов из полупроводникового материала.
Профессор Яблоновиц решил пойти дальше простой научной констатации фактов и стал одним из учредителей новой компании Alta Devices. Специалисты компании, руководствуясь научными исследованиями профессора, смогли создать рабочий прототип фотоэлектрического элемента из GaAs (арсенида галлия) который побил существующий рекорд и показал рекордную эффективность в 28.3 процента.
Для достижения рекордного значения эффективности были использованы методы, призванные обеспечить максимально быстрое удаление новых фотонов из ячейки. К примеру, отражающая способность задней стенки была увеличена, что привело к выталкиванию новых фотонов через переднюю панель.
Авторы нового метода твердо намерены уже в ближайшие годы преодолеть показатель эффективности в тридцать процентов.{odnaknopka}