Фокусы с фотонами сулят энергетике солнечное будущее
Эффективность современных солнечных батарей во многом ограничена по причине того, что они не смогут преобразовывать в электричество свет с низкой частотой и низкой энергией излучения. Ключом к решению проблемы может стать необычный «обман».
Нужно сделать так, дабы целый белый свет, льющийся с неба, для батареи смотрелся монохромным, причём дабы энергия не терялась.
Упрочнения многих лабораторий направлены на то, дабы разрешить солнечным батареям впитывать более широкий диапазон волн. Возможно отыскать в памяти увлекательнейшие работы по созданию полупроводниковых материалов с расщеплёнными полосами солнечных батарей и поглощения на их базе, преобразующих в ток фотоны сходу нескольких частот.
Эти, в далеком прошлом начатые, работы ведутся до сих пор. Удачи имеется, но популярного продукта на базе данной технологии до тех пор пока нет.
Второй способ увеличения эффективности батарей содержится в фильтрации света, дабы полупроводнику доставались лишь фотоны нужной частоты, каковые он имел возможность бы действенно перерабатывать в электричество. Таковы, например, голографические солнечные батареи.
Но, оказывается, вероятен совсем другой подход к ответу данной неприятности — весьма красивый.
Представьте, что некая совокупность либо некоторый процесс будут преобразовывать все фотоны падающего солнечного света в фотоны лишь одной частоты, той оптимальной, на которую вычислен фотоэлектрический преобразователь. Тогда КПД батареи возможно было бы поднять до страно большого уровня.
Стоп, стоп! Но разве сам данный процесс преобразования частот не будет отнимать энергию? И станет ли такое преобразование удачным?
Учёные говорят, что всё возможно организовать так, что утрат фактически не будет.
Bavaria Solar Park — одно из больших «солнечных полей» Европы.
Генерирует до 10 милионов ватт мощности (фото PowerLight).
Занимательные испытания совершила сравнительно не так давно объединённая команда физиков из Университета изучения полимеров Макса Планка в Майнце (Max Planck Institut fur Polymerforschung, Mainz) и лаборатории материаловедения Сони в Штутгарте (Сони Materials Science Laboratory, Stuttgart).
Исследователи направляли на ёмкость с жидким раствором луч зелёного цвета, а на выходе получался светло синий луч.
Принципиально важно подчернуть, что данный процесс, при котором два фотона низкой энергии преобразовывались в один высокоэнергетический фотон, ранее демонстрировался только с лазерными лучами, причём при высокой плотности энергии в пучке. А вот сейчас учёные показали тот же «фокус» с простым светом, поскольку их конечная цель — преобразование солнечных лучей, падающих на фотоэлектрическую батарею.
Как же трудится данный собственного рода синтез фотонов? В растворе, созданном экспериментаторами, присутствуют два вида своеобразных молекул: так именуемые «эмиттеры» и «антенны».
Молекула-антенна захватывает фотон с частотой, соответствующей зелёному свету, и переходит на более большой энергетический уровень. Но находится на нём не так уж продолжительно, а отдаёт эту энергию молекуле-эмиттеру, когда та окажется поблизости.
Дав квант, антенна возвращается в невозбуждённое состояние, дабы принять очередной фотон, а вот эмиттер перепрыгивает на большой энергетический уровень и ожидает.
А ожидает он, в то время, когда рядом окажется ещё одна такая же молекула-эмиттер, и также в возбуждённом состоянии. Тогда одна из них отдаёт энергию второй, по окончании чего возвращается на исходный энергетический уровень.
Второй же эмиттер, значит, приобретает уже энергию двух, так сообщить, «зелёных фотонов», которую излучает одной порцией в виде единственного «фотона светло синий цвета».
Солнечные лучи приносят примерно по 1 киловатту мощности на любой квадратный метр земной поверхности, но пока мы можем превращать в электричество только меньшую долю данной энергии (фото с сайта thomashawk.com).
Так, энергия никуда не исчезает и не откуда не добавляется. какое количество ватт упало на квадратный сантиметр за секунду, столько и будет излучено иначе установки.
Но на другой частоте. Процесс данный чем-то напоминает те, что происходят в рабочем теле лазера, лишь речь заходит не о лазерном излучении, а об простом.
Дабы всё трудилось как часы и не было утрат энергии, учёным было нужно поломать голову, подбирая подходящие вещества для эмиттеров и антенн. На эти роли подошли октаэтилпорфирин платины и дифинилантрацен.
И это — лишь для зелёно-светло синий преобразования частоты. Но авторы работы говорят, что в раствор возможно ввести целый комплекс различных эмиттеров и антенн, подобрав их так, дабы они реагировали на различные частоты падающего света, а излучали — причём все, — лишь одну частоту.
Тот же светло синий свет, к примеру.
Представьте, что на такую установку падает белый цвет, а выходит светло синий, но не отфильтрованный цветным стеклом (ясно, тогда яркость была бы многократно ниже), а преобразованный, с тем же числом энергии, что находилось в исходном свете. В случае если за таким преобразователем поставить солнечную батарею, то окажется совокупность с высоким КПД.
Действительно, до чудо-батарей ещё на большом растоянии. Бак с жидким раствором не устраивает создателей по конструктивным обстоятельствам, но они утверждают, что для того чтобы же результата преобразования частот солнечного света возможно добиться и в жёстком растворе — додавая эмиттеры и подходящие антенны в толщу прозрачного полимера.
Это следующий этап в развитии новой разработке, с которым исследователи именно экспериментируют на данный момент. Кроме этого они подбирают другие вещества, дабы обучиться преобразовывать в одну частоту широкий спектр падающих лучей.
В то время, когда солнечные батареи, оснащённые таким необычным фильтром, покажутся в магазинах — угадать сложно. Но ясно, что в будущем солнечные электростанции смогут играться более весомую роль в энергетике планеты, чем на данный момент.
