Asimetri pembalikan masa melepasi had kecekapan penukaran untuk sel solar

Jurnal Fotonik untuk Tenaga (2022) DOI: 10.1117/1.JPE.12.032207.” width=”800″ height=”450″/>

Tidak seperti sistem sel multifotovoltaik di mana cahaya yang dipancarkan diserap oleh sel berikutnya (kiri), penukar fotovoltaik bukan timbal balik sel tunggal yang dicadangkan oleh Sergeev dan Sablon (kanan) menyebabkan cahaya yang dipancarkan diserap semula oleh sel yang sama, mengehadkan kehilangan pelepasan tanpa memerlukan sel PV tambahan. Kredit: Sergeev dan Sablon, Jurnal Fotonik untuk Tenaga (2022) DOI: 10.1117/1.JPE.12.032207.

Tenaga suria adalah calon popular untuk alternatif yang mampan kepada bahan api fosil. Sel suria, atau sel fotovoltaik (PV), menukar cahaya matahari terus kepada elektrik. Walau bagaimanapun, kecekapan penukaran belum mencukupi untuk membolehkan aplikasi sel suria yang meluas.

Had asas kepada kecekapan maksimum peranti PV diberikan oleh ciri termodinamik, iaitu suhu dan entropi (ukuran gangguan dalam sistem). Lebih khusus lagi, had ini, yang dikenali sebagai had Landsberg, dikenakan oleh entropi sinaran badan hitam yang sering dikaitkan dengan cahaya matahari. Had Landsberg secara meluas dianggap sebagai had paling umum untuk kecekapan mana-mana penukar cahaya matahari.

Satu lagi had, yang dipanggil had Shockley-Queisser (SQ), berasal daripada undang-undang Kirchhoff, yang menyatakan bahawa penyerapan dan emisiviti harus sama untuk mana-mana tenaga foton dan untuk sebarang arah penyebaran. Ini pada asasnya adalah prinsip “imbangan terperinci” yang telah mengawal operasi sel solar selama beberapa dekad. Undang-undang Kirchhoff, sebenarnya, adalah akibat daripada apa yang dipanggil “simetri pembalikan masa.” Oleh itu, satu cara untuk memintas had SQ ialah memecahkan simetri ini dengan membenarkan cahaya merambat hanya sepanjang satu arah. Ringkasnya, had SQ boleh diatasi jika penukar PV menyerap lebih banyak dan mengeluarkan radiasi yang kurang.

Dalam kajian baru yang diterbitkan dalam Jurnal Fotonik untuk Tenaga (JPE), penyelidik Andrei Sergeev dari Makmal Penyelidikan Tentera AS dan Kimberly Sablon dari Komando Niaga Hadapan Tentera dan Texas A&M University mencadangkan cara untuk memecahkan had SQ dengan menggunakan “struktur fotonik bukan timbal balik” yang boleh mengurangkan pelepasan secara drastik daripada penukar PV tanpa menjejaskan jumlahnya penyerapan cahaya.

Penyelidikan meneroka reka bentuk PV sel tunggal yang disepadukan dengan komponen optik bukan timbal balik untuk menyediakan penggunaan semula 100 peratus sinaran yang dipancarkan oleh sel yang sama akibat kitar semula foton bukan timbal balik. Ini berbeza dengan reka bentuk sebelumnya, yang dianggap sebagai penukar PV dengan beberapa multijunction seldisusun sedemikian rupa sehingga cahaya yang dipancarkan oleh satu sel telah diserap oleh yang lain.

Mengikuti karya seminal Lorentz, von Laue, Einstein, Landau, Brillouin, dan Schrödinger, Sergeev dan Sablon juga membincangkan entropi cahaya matahari dari segi koheren, relativiti, taburan tidak seimbang, gangguan, maklumat dan negentropi. Penulis memerhatikan bahawa bertentangan dengan sinaran yang sangat tidak teratur di dalam matahari, foton dalam cahaya matahari bergerak di sepanjang garis lurus dalam sudut pepejal yang sempit. Bagi Sergeev dan Sablon, pemerhatian ini menunjukkan bahawa cahaya matahari memberikan kita kuasa hijau sebenar dan kuasa hijaunya kecekapan penukaran hanya bergantung pada bagaimana kita akan menukarnya.

Pengarang menunjukkan bahawa untuk sinaran kuasimonokromatik, penukar PV sel tunggal bukan timbal balik mencapai “kecekapan Carnot” maksimum secara teori, kecekapan enjin haba yang ideal, yang melebihi had Landsberg. Ini juga berlaku untuk sinaran pelbagai warna (ciri cahaya matahari).

Menariknya, ini membantu menyelesaikan paradoks termodinamik yang berkaitan dengan diod optik. Paradoks menyatakan bahawa diod optik boleh meningkatkan suhu penyerap melebihi suhu matahari dengan membenarkan hanya perambatan cahaya sehala. Ini akan melanggar undang-undang kedua termodinamik. Kajian itu menunjukkan bahawa bilangan kitar semula foton yang tidak terhingga diperlukan untuk mencapai kecekapan Carnot, dan dengan itu, melanggar undang-undang.

Selain itu, penyelidik menyamaratakan pertimbangan termodinamik kepada taburan foton tidak seimbang dengan potensi kimia bukan sifar akibat cahaya dan memperoleh kecekapan mengehadkan penukar PV sel tunggal bukan timbal balik.

“Penyelidikan ini didorong oleh kemajuan pantas dalam optik bukan timbal balik dan oleh pembangunan bahan fotovoltaik kos rendah dengan kecekapan kuantum yang tinggi, ” kata Sergeev, memetik bahan perovskit khususnya dan menyatakan, “Penggabungan semula bukan sinaran yang lemah dalam bahan ini akan membolehkan peningkatan lanjutan Penukaran PV melalui pengurusan proses sinaran.”

Dengan struktur fotonik bukan timbal balik yang semakin meningkat, pembangunan penukar PV berkecekapan tinggi mungkin dijangkakan dalam masa terdekat. Sebagai memburu penyelesaian yang mampan kepada krisis tenaga dunia berterusan, kajian ini memberikan banyak harapan untuk teknologi sel solar.


Seni bina sel suria novel berprestasi baik di bawah kekangan dunia sebenar


Maklumat lanjut:
Andrei Sergeev et al, Pengurusan fotonik bukan timbal balik untuk penukaran fotovoltaik: reka bentuk dan had kecekapan asas, Jurnal Fotonik untuk Tenaga (2022). DOI: 10.1117/1.JPE.12.032207

Disediakan oleh SPIE–Persatuan Antarabangsa untuk Optik dan Fotonik

Petikan: Asimetri pembalikan masa melepasi had kecekapan penukaran untuk sel suria (2022, 1 Jun) diambil 2 Jun 2022 daripada

Dokumen ini tertakluk kepada hak cipta. Selain daripada sebarang urusan adil untuk tujuan kajian atau penyelidikan persendirian, tiada bahagian boleh diterbitkan semula tanpa kebenaran bertulis. Kandungan disediakan untuk tujuan maklumat sahaja.

We would love to say thanks to the writer of this short article for this outstanding web content

Asimetri pembalikan masa melepasi had kecekapan penukaran untuk sel solar


Find here our social media accounts as well as other related pageshttps://paw6.info/related-pages/