Im Gegensatz zu einem mehrzelligen PV-System, bei dem das emittierte Licht von einer nachfolgenden Zelle (links) absorbiert wird, bewirkt der von Sergiev und Sablon (rechts) vorgeschlagene nicht reziproke einzellige Photovoltaik-Konverter, dass das emittierte Licht von derselben wieder absorbiert wird Zelle, wodurch Emissionsverluste ohne die Notwendigkeit zusätzlicher PV-Zellen begrenzt werden. Kredit: Sergeev und Sablon, Photonics Energy Magazin (2022) DOI: 10.1117/1.JPE.12.032207.

Solarenergie ist ein beliebter Kandidat für eine nachhaltige Alternative zu fossilen Brennstoffen. Eine Solarzelle oder Photovoltaik (PV) wandelt Sonnenlicht direkt in Strom um. Die Umwandlungseffizienz reichte jedoch nicht aus, um großtechnische Anwendungen von Solarzellen zu ermöglichen.

Die grundlegende Grenze für die maximale Effizienz von PV-Geräten wird durch die thermodynamischen Eigenschaften bestimmt, bei denen es sich um Temperatur und Entropie (ein Maß für die Unordnung in einem System) handelt. Genauer gesagt wird diese Grenze, die als Landsberg-Grenze bekannt ist, durch die Entropie der Schwarzkörperstrahlung auferlegt, die oft dem Sonnenlicht zugeschrieben wird. Die Landsberg-Grenze wird allgemein als die allgemeinste Grenze für den Wirkungsgrad eines Solarkonverters angesehen.

Ein anderer Begriff, Shockley-Queisser-Grenze (SQ) genannt, stammt aus dem Kirchhoffschen Gesetz, das besagt, dass Absorption und Emissivität für alle gleich sein müssen Photonenenergie Und für welche Ausbreitungsrichtung. Dies ist im Wesentlichen das Prinzip des „aufwändigen Gleichgewichts“, das den Betrieb von Solarzellen seit Jahrzehnten bestimmt. Tatsächlich ist das Kirchhoffsche Gesetz eine Folge der sogenannten „umgekehrten Zeitsymmetrie“. Eine Möglichkeit, die SQ-Grenze zu umgehen, besteht darin, diese Symmetrie zu brechen, indem Licht nur in eine Richtung geleitet wird. Vereinfacht gesagt kann die SQ-Grenze überschritten werden, wenn der Photovoltaik-Konverter mehr absorbiert und weniger Strahlung emittiert.

In einer neuen Studie veröffentlicht in Photonics Energy Magazin (JPE) haben die Forscher Andrei Sergeev vom US Army Research Laboratory und Kimberly Sablon vom Army Futures Command und der Texas A&M University einen Weg vorgeschlagen, die SQ-Grenze durch die Verwendung von „nicht kommutativen photonischen Strukturen“ zu durchbrechen, die die Emissionen von der Photoelektrik erheblich reduzieren können Konverter, ohne dass ihre Gesamtabsorption das Licht beeinflusst.

Die Forschung untersucht ein Einzelzellen-Photovoltaikdesign in Kombination mit nicht austauschbaren optischen Komponenten, um eine 100-prozentige Wiederverwendung der von derselben Zelle emittierten Strahlung aufgrund des Recyclings nicht ausgetauschter Photonen zu ermöglichen. Dies steht im Gegensatz zu früheren Designs, die als Multi-Link-PV-Konverter betrachtet wurden Zellenso angeordnet, dass das von einer Zelle emittierte Licht von einer anderen Zelle absorbiert wird.

Nach den wegweisenden Arbeiten von Lorentz, von Laue, Einstein, Landau, Brillouin und Schrödinger diskutieren Sergeev und Sablon auch die Entropie des Sonnenlichts in Bezug auf Kohärenz, Relativität, unausgeglichene Verteilungen, Turbulenzen, Informationen und negative Proportionen. Die Autoren stellen fest, dass sich die Photonen im Sonnenlicht im Gegensatz zur stark turbulenten Strahlung im Inneren der Sonne auf geraden Linien in einem engen Raumwinkel bewegen. Für Sergeev und Sablon deutet diese Beobachtung darauf hin, dass das Sonnenlicht uns mit wahrer grüner Kraft und Kraft versorgt Umwandlungseffizienz Es kommt nur darauf an, wie man es umwandelt.

Die Autoren zeigten, dass für quasi-monochromatische Strahlung der nicht hin- und hergehende Einzelzellen-Photovoltaik-Konverter einen theoretischen maximalen „Carnot-Wirkungsgrad“ erreichte, einen idealen Wärmeantriebswirkungsgrad, der die Landsberg-Grenze übersteigt. Dies galt auch für polychromatische Strahlung (eine Eigenschaft des Sonnenlichts).

Interessanterweise half dies, die thermodynamische Diskrepanz im Zusammenhang mit der optischen Diode aufzulösen. Das Paradoxe ist, dass die optische Diode die Temperatur des Absorbers über die Temperatur der Sonne erhöhen kann, indem sie dem Licht erlaubt, sich nur in eine Richtung auszubreiten. Dies würde den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik verletzen. Die Studie zeigte, dass unendlich viele Photonen-Recycling-Prozesse erforderlich sind, um die Carnot-Effizienz zu erreichen, und damit gegen das Gesetz verstoßen.

Darüber hinaus verallgemeinerten die Forscher thermodynamische Betrachtungen auf Nichtgleichgewichts-Photonenverteilungen mit lichtinduzierten chemischen Potentialen ungleich Null und leiteten die endliche Effizienz eines nicht-reziproken Einzelzellen-PV-Konverters ab.

„Diese Forschung wurde durch schnelle Fortschritte in der Optik ohne Austausch und durch die Entwicklung kostengünstiger optoelektronischer Materialien mit hoher Quanteneffizienz motiviert“, sagt Sergeev, der insbesondere Perowskit-Materialien anführt und feststellt, dass „schwache strahlungslose Rekombination in diesen Materialien wird eine Verbesserung ermöglichen Advanced Photovoltaic Conversion via Radiological Process Management“.

Mit dem Aufkommen photonischer Strukturen ohne Austausch kann in naher Zukunft mit der Entwicklung hocheffizienter Photovoltaiktransformatoren gerechnet werden. als Verfolgungsjagd nachhaltige Lösungen Da die weltweite Energiekrise anhält, gibt diese Studie viel Hoffnung für die Solarzellentechnologie.

Eingereicht von SPIE – International Society of Optics and Photonics