Tids-reverseringsasymmetri overskrider konverteringseffektivitetsgrænsen for solceller

Solenergi er en populær kandidat til et bæredygtigt alternativ til fossile brændstoffer. En solcelle, eller fotovoltaisk (PV) celle, omdanner sollys direkte til elektricitet. Konverteringseffektiviteten har dog ikke været nok til at muliggøre udbredte anvendelser af solceller.

En grundlæggende grænse for den maksimale effektivitet af PV-enheder er givet af termodynamiske egenskaber, nemlig temperatur og entropi (et mål for uorden i et system). Mere specifikt er denne grænse, kendt som Landsberg-grænsen, pålagt af entropien af ​​den sorte kropsstråling, der ofte tilskrives sollys. Landsberg-grænsen betragtes bredt som den mest generelle grænse for effektiviteten af ​​enhver sollyskonverter.

En anden grænse, kaldet Shockley-Queisser (SQ) grænsen, kommer fra Kirchhoffs lov, som siger, at absorptionsevnen og emissiviteten skal være ens for enhver fotonenergi og for enhver udbredelsesretning. Dette er i bund og grund princippet om "detaljeret balance", der har styret solcelledrift i årtier. Kirchhoffs lov er i virkeligheden en konsekvens af det, man kalder "tidsvendingssymmetri". En måde at omgå SQ-grænsen på er derfor at bryde denne symmetri ved kun at lade lyset forplante sig i én retning. Kort sagt kan SQ-grænsen overskrides, hvis PV-konverteren absorberer mere og udsender mindre stråling.

I en ny undersøgelse offentliggjort i Journal of Photonics for Energy (JPE ), foreslår forskere Andrei Sergeev fra US Army Research Laboratory og Kimberly Sablon fra Army Futures Command og Texas A&M University en måde at bryde SQ-grænsen ved at bruge "ikke-gensidige fotoniske strukturer", der drastisk kan reducere emissionen fra en PV-konverter uden at påvirke dens samlede lysabsorption.

Forskningen udforsker et enkeltcellet PV-design integreret med ikke-gensidige optiske komponenter for at give en 100 procent genbrug af den udsendte stråling fra den samme celle på grund af ikke-gensidig fotongenanvendelse. Dette er i modsætning til tidligere designs, som betragtede en PV-konverter med flere multijunction-celler, arrangeret på en sådan måde, at lyset fra en celle blev absorberet af en anden.

I forlængelse af Lorentz, von Laue, Einstein, Landau, Brillouin og Schrödinger, diskuterer Sergeev og Sablon også sollysentropi i form af sammenhæng, relativitet, uligevægtsfordelinger, uorden, information og negentropi. Forfatterne observerer, at i modsætning til den stærkt uordnede stråling inde i solen, bevæger fotoner i sollys sig langs lige linjer i en snæver solid vinkel. For Sergeev og Sablon tyder denne observation på, at sollys giver os ægte grøn strøm, og dets konverteringseffektivitet afhænger kun af, hvordan vi vil konvertere det.

Forfatterne viste, at for kvasimonokromatisk stråling nåede den ikke-reciproke enkeltcellede PV-konverter den teoretisk maksimale "Carnot-effektivitet", effektiviteten af ​​en ideel varmemotor, som overstiger Landsberg-grænsen. Dette var også tilfældet for flerfarvet stråling (karakteristisk for sollys).

Interessant nok hjalp dette med at løse et termodynamisk paradoks relateret til en optisk diode. Paradokset erklærede, at en optisk diode kunne øge absorberens temperatur over soltemperaturen ved kun at tillade envejs lysudbredelse. Dette ville overtræde termodynamikkens anden lov. Undersøgelsen viste, at et uendeligt antal genanvendelse af fotoner ville være nødvendigt for at nå Carnot-effektiviteten og dermed overtræde loven.

Derudover generaliserede forskerne de termodynamiske overvejelser til ikke-ligevægtsfotonfordelinger med lysinduceret kemisk potentiale, der ikke er nul, og udledte den begrænsende effektivitet af en ikke-reciprok enkeltcellet PV-konverter.

"Denne forskning var motiveret af hurtige fremskridt inden for ikke-gensidig optik og af udvikling af billige fotovoltaiske materialer med høj kvanteeffektivitet," siger Sergeev og citerer især perovskitmaterialer og bemærker, "Svag ikke-strålende rekombination i disse materialer ville muliggøre avanceret forbedring af PV konvertering via styring af strålingsprocesser."

Med ikke-gensidige fotoniske strukturer i fremmarch, kan udviklingen af ​​højeffektive PV-konvertere forventes i den nærmeste fremtid. Mens jagten på bæredygtige løsninger på verdens energikrise fortsætter, giver denne undersøgelse meget håb for solcelleteknologi. + Udforsk yderligere

Ny solcellearkitektur klarer sig godt under virkelige begrænsninger