Фокусы с фотонами сулят энергетике солнечное будущее

Эффективность современных солнечных батарей во многом ограничена из-за того, что они не могут преобразовывать в электричество свет с низкой частотой и, соответственно, низкой энергией излучения. Ключом к решению проблемы может стать своеобразный "обман". Надо сделать так, чтобы весь белый свет, льющийся с неба, для батареи выглядел монохромным, причём чтобы энергия не терялась.

Усилия многих лабораторий направлены на то, чтобы позволить солнечным батареям впитывать более широкий диапазон волн. Можно вспомнить интереснейшие работы по созданию полупроводниковых материалов с расщеплёнными полосами поглощения и солнечных батарей на их основе, преобразующих в ток фотоны сразу нескольких частот.

 

 

Эти, давно начатые, работы ведутся до сих пор. Успехи есть, но массового продукта на основе этой технологии пока нет.

Другой метод повышения эффективности батарей заключается в фильтрации света, чтобы полупроводнику доставались только фотоны нужной частоты, которые он мог бы эффективно перерабатывать в электричество. Таковы, к примеру, голографические солнечные батареи.

Но, оказывается, возможен совсем иной подход к решению этой проблемы — очень изящный.

Представьте, что некая система или некий процесс будут преобразовывать все фотоны падающего солнечного света в фотоны только одной частоты, той оптимальной, на которую рассчитан фотоэлектрический преобразователь. Тогда КПД батареи можно было бы поднять до удивительно высокого уровня.

Стоп, стоп! Но разве сам этот процесс преобразования частот не будет отнимать энергию? И станет ли такое преобразование выгодным? Учёные говорят, что всё можно организовать так, что потерь практически не будет.

Bavaria Solar Park — одно из крупных "солнечных полей" Европы. Генерирует до 10 мегаватт мощности (фото PowerLight).

Интересные опыты провела недавно объединённая команда физиков из Института исследования полимеров Макса Планка в Майнце (Max Planck Institut für Polymerforschung, Mainz) и лаборатории материаловедения Sony в Штутгарте (Sony Materials Science Laboratory, Stuttgart).

Исследователи направляли на ёмкость с жидким раствором луч зелёного цвета, а на выходе получался синий луч.

Важно отметить, что этот процесс, при котором два фотона низкой энергии преобразовывались в один высокоэнергетический фотон, ранее демонстрировался лишь с лазерными лучами, причём при высокой плотности энергии в пучке. А вот теперь учёные продемонстрировали тот же "фокус" с обычным светом, ведь их конечная цель — преобразование солнечных лучей, падающих на фотоэлектрическую батарею.

Как же работает этот своего рода синтез фотонов? В растворе, созданном экспериментаторами, присутствуют два вида специфических молекул: так называемые "антенны" и "эмиттеры".

Молекула-антенна захватывает фотон с частотой, соответствующей зелёному свету, и переходит на более высокий энергетический уровень. Однако находится на нём не так уж долго, а отдаёт эту энергию молекуле-эмиттеру, как только та окажется поблизости. Отдав квант, антенна возвращается в невозбуждённое состояние, чтобы принять очередной фотон, а вот эмиттер перепрыгивает на высокий энергетический уровень и ждёт.

А ждёт он, когда рядом окажется ещё одна такая же молекула-эмиттер, и тоже в возбуждённом состоянии. Тогда одна из них отдаёт энергию второй, после чего возвращается на исходный энергетический уровень. Второй же эмиттер, стало быть, получает уже энергию двух, так сказать, "зелёных фотонов", которую излучает одной порцией в виде единственного "фотона синего цвета".

	Солнечные лучи приносят приблизительно по 1 киловатту мощности на каждый квадратный метр земной поверхности, но пока мы можем превращать в электричество лишь меньшую долю этой энергии (фото с сайта thomashawk.com).

Таким образом, энергия никуда не исчезает и не откуда не добавляется. Сколько ватт упало на квадратный сантиметр за секунду, столько и будет излучено с другой стороны установки. Но на другой частоте. Процесс этот чем-то напоминает те, что происходят в рабочем теле лазера, только речь идёт не о лазерном излучении, а об обычном.

Чтобы всё работало как часы и не было потерь энергии, учёным пришлось поломать голову, подбирая подходящие вещества для антенн и эмиттеров. На эти роли подошли октаэтилпорфирин платины и дифинилантрацен.

И это — только для зелёно-синего преобразования частоты. Однако авторы работы говорят, что в раствор можно ввести целый комплекс разных антенн и эмиттеров, подобрав их так, чтобы они реагировали на разные частоты падающего света, а излучали — причём все, — только одну частоту. Тот же синий свет, к примеру.

Представьте, что на такую установку падает белый цвет, а выходит синий, но не отфильтрованный цветным стеклом (понятно, тогда яркость была бы во много раз ниже), а преобразованный, с тем же количеством энергии, что содержалось в исходном свете. Если за таким преобразователем поставить солнечную батарею, то получится система с очень высоким КПД.

Правда, до чудо-батарей ещё далеко. Бак с жидким раствором не устраивает создателей по конструктивным причинам, но они утверждают, что такого же эффекта преобразования частот солнечного света можно добиться и в твёрдом растворе — добавляя подходящие антенны и эмиттеры в толщу прозрачного полимера.

Это следующий этап в развитии новой технологии, с которым исследователи как раз экспериментируют в настоящее время. Также они подбирают другие вещества, чтобы научиться преобразовывать в одну частоту широкий спектр падающих лучей.

Когда солнечные батареи, оснащённые таким удивительным фильтром, появятся в магазинах — предсказать сложно. Но ясно, что в будущем солнечные электростанции смогут играть более весомую роль в энергетике планеты, чем в настоящее время.

Статья о науки и техники получена: Membrana.ru