Solcellen, der også skinner:Selvlysende LED-design slår effektivitetsrekord

For at producere den maksimale mængde energi, solceller er designet til at absorbere så meget lys fra Solen som muligt. Nu forskere fra University of California, Berkeley, har foreslået – og demonstreret – et kontraintuitivt koncept:solceller bør designes til at være mere som LED'er, i stand til at udsende lys samt absorbere det.

"Det, vi demonstrerede, er, at jo bedre en solcelle er til at udsende fotoner, jo højere dens spænding og jo større effektivitet kan den producere, " siger Eli Yablonovitch, hovedforsker og UC Berkeley professor i elektroteknik.

Siden 1961, videnskabsmænd har vidst, at under ideelle forhold, der er en grænse for mængden af ​​elektrisk energi, der kan høstes fra sollys, der rammer en typisk solcelle. Denne absolutte grænse er, teoretisk set, omkring 33,5 pct. Det betyder, at højst 33,5 procent af energien fra indkommende fotoner vil blive absorberet og omdannet til nyttig elektrisk energi.

Men i fem årtier, forskere var ikke i stand til at komme tæt på at opnå denne effektivitet:fra 2010, det højeste nogen var kommet var blot mere end 26 procent. (Dette er til flad plade, "single junction" solceller, som absorberer lysbølger over en bestemt frekvens. "Multi-junction" celler, som har flere lag og absorberer flere frekvenser, er i stand til at opnå højere effektivitet.)

For nylig, Yablonovitch og hans kolleger forsøgte at forstå, hvorfor der har været så stor en kløft mellem den teoretiske grænse og den grænse, som forskere har været i stand til at nå. Mens de arbejdede, et "sammenhængende billede opstod, " siger Owen Miller, en kandidatstuderende ved UC Berkeley og medlem af Yablonovitchs gruppe. De stødte på en forholdsvis enkel, hvis det måske er kontraintuitivt, løsning baseret på en matematisk sammenhæng mellem absorption og emission af lys.

"Grundlæggende det er fordi der er en termodynamisk forbindelse mellem absorption og emission, " siger Miller. At designe solceller til at udsende lys - så fotoner ikke bliver "tabt" i en celle - har den naturlige effekt at øge spændingen produceret af solcellen. "Hvis du har en solcelle, er det en god emitter. af lys, det får det også til at producere en højere spænding, "hvilket igen øger mængden af ​​elektrisk energi, der kan høstes fra cellen for hver enhed af sollys, siger Miller.

Teorien om, at luminescerende emission og spænding går hånd i hånd, er ikke ny. Men ideen var aldrig blevet overvejet til design af solceller før nu, Miller fortsætter.

Det sidste år, et Bay Area-baseret firma kaldet Alta Devices, medstiftet af Yablonovitch, brugte det nye koncept til at skabe en prototype solcelle lavet af galliumarsenid (GaAs), et materiale, der ofte bruges til at lave solceller i satellitter. Prototypen slog rekorden, spring fra 26 procent til 28,3 procent effektivitet. Virksomheden nåede denne milepæl, delvis, ved at designe cellen til at tillade lys at undslippe så let som muligt fra cellen – ved hjælp af teknikker, der omfatter, for eksempel, øger reflektionsevnen af ​​bagspejlet, som sender indgående fotoner tilbage ud gennem forsiden af ​​enheden.

Solceller producerer elektricitet, når fotoner fra Solen rammer halvledermaterialet i en celle. Energien fra fotonerne slår elektroner løs fra dette materiale, lader elektronerne flyde frit. Men processen med at slå elektroner fri kan også generere nye fotoner, i en proces kaldet luminescens. Tanken bag det nye solcelledesign er, at disse nye fotoner – som ikke kommer direkte fra Solen – skal have lov til at slippe ud af cellen så let som muligt.

"Den første reaktion er normalt, hvorfor hjælper det [at lade disse fotoner undslippe]?" Miller siger. "Vil du ikke beholde [fotonerne] inde, hvor de måske kunne skabe flere elektroner?" matematisk, at lade de nye fotoner undslippe øger den spænding, som cellen er i stand til at producere.

Arbejdet er "en god, nyttig måde" til at bestemme, hvordan videnskabsmænd kan forbedre ydeevnen af ​​solceller, samt at finde kreative nye måder at teste og studere solceller på, siger Leo Schowalter fra Crystal IS, Inc. og gæsteprofessor ved Rensselaer Polytechnic Institute, som er formand for CLEO-udvalget for lysdioder, solcelleanlæg, og energieffektiv fotonik.

Yablonovitch siger, at han håber, at forskere vil være i stand til at bruge denne teknik til at opnå effektivitet tæt på 30 procent i de kommende år. Og da arbejdet gælder alle typer solceller, resultaterne har betydning for hele feltet.

Berkeley-teamet vil præsentere sine resultater på konferencen om lasere og elektrooptik (CLEO:2012), 6-11 maj, San Jose, Californien