Квантовая эффективность солнечной батареи впервые превысила 100%
Опытный образец преобразователя поставил рекорд по одному из важнейших параметров фотоэлектрических ячеек. По мнению разработчиков, эксперимент показывает путь создания солнечных батарей следующего поколения.
Исследователи из американской Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) построили выдающуюся солнечную батарею (СБ) на базе квантовых точек – полупроводниковых кристаллов размером в несколько нанометров.
Опытное устройство было составлено из стекла с просветляющим покрытием, тонкого слоя прозрачного проводника, наноструктурированных слоёв оксида цинка и слоя квантовых точек из селенида свинца, дополненного толикой этандитиола и гидразина. Завершало бутерброд тонкое золотое покрытие в качестве верхнего электрода.
Внешняя и внутренняя квантовая эффективность (QE ) протестированной СБ составили 114% и 130% соответственно.
Поясним, QE измеряется для определённой частоты падающего света. Внешняя квантовая эффективность определяется как отношение числа генерируемых пар электрон-дырка (практически – фототока на внешних выводах) к числу падающих на СБ фотонов. Внутренняя квантовая эффективность – это отношение числа электронов к числу поглощённых фотонов.
Поскольку часть падающих на панель фотонов отражается обратно либо поглощается без генерации носителей заряда, внешняя эффективность оказывается ниже внутренней.
Параметр QE ещё не является общим КПД батареи (отношением выходной электрической мощности к мощности падающего излучения), но он очень важен для итогового результата. Чем выше QE в возможно большем диапазоне частот и чем ниже внутри материала рекомбинация только что созданных зарядов, тем выше суммарный КПД ячейки.
До сих пор ни одна солнечная батарея не показывала внешнюю квантовую эффективность выше 100% ни на одной частоте падающего света. Так что в NREL совершили настоящий прорыв, добившись того, что каждый упавший на батарею фотон создавал на выходе больше одной пары электрон-дырка.
Ключом к успеху стал процесс, называемый множественной генерацией экситонов (MEG). До сих пор учёные демонстрировали его в изолированных квантовых точках или их группах, а не в полноценной батарее, выдающей электричество.
MEG зависит от параметров материала, в частности, от соотношения ширины запрещённой зоны в полупроводнике и энергии падающего фотона. При этом крайне важным оказывается именно размер кристалла.
Квантовые точки, ограничивая носители заряда в пределах крошечного объёма, могут собирать избыточную энергию, которая иначе терялась бы в виде тепла и, следовательно, способны значительно увеличить эффективность преобразования фотонов, передаёт PhysOrg.com.
Общий КПД опытной ячейки от NREL в 4,5% не кажется высоким. Но строение данной батареи не было оптимизировано для сбора и передачи фототока, главное было показать рекордную квантовую эффективность выбранного сочетания материалов.
Солнечные батареи, эксплуатирующие эффект MEG, учёные относят к третьему поколению. Все известные преобразователи солнечной энергии — на основе кремния, теллурида кадмия, селенида меди индия галлия, и даже перспективные многопереходные ячейки с элементами, взятыми из третьего, четвёртого и пятого столбцов Периодической таблицы – это всё СБ первого и второго поколений, утверждает лаборатория.
(Детали новой работы можно найти в статье в Science.)
habrahabr.ru/company/10tracks/blog/134662/
Не спорю Алфёров — корифей. Но что Алфёров уже делал СБ с QE (допустим) 150% и КПД 68%? И где они, можно узнать?
А КПД 98% в разных спектрах это огромное достижение?
И насчёт рекордов КПД реальных батарей: помнится он был 43% в лаборатории и около 40% у конвейерных спектролабовских панелей. Уже есть выше?
Но чтобы добиться нового шага в этой области, нужно для начала хотя бы раз показать QE 114% хотя бы в одной узкой зоне, а не три раза в трёх разных зонах «по 98%.»
Это как чемпионат по прыжкам в высоту. Что лучше — иметь в команде одного человека, который прыгает на 2м 80см, или трёх спортсменов, которые прыгают каждый по 1м 75см? :) Кому дадут медаль?
А вы уже посмотрели методику опыта, измерений? «Просто Ложь» — это слишком. Вы так уверены...
Полагаю они там были в курсе всех посторонних эффектов и всё учли. И потом. Они же не просто пишут — мы тут намешали чего-то, померяли, а оно вдруг бац — и 114%.
Они определённо говорят «один фотон сгенерировал больше чем одна пара электрон — дырка», и ещё они говорят, что их результат хорошо согласуется с измерениями и исследованиями, проведёнными ранее для единичных квантовых точек, в том числе — проведённых другими лабораториями и институтами. И там был эффект MEG — от которого и превышение 100%.
Вы считаете, что MEG не существует? А куча физиков из разных стран или ошибается подозрительно одинаково или лжёт?
«-- я описался -2-3 мкм..»
— Ну, надо как-то держать себя в руках ;)
И понятно почему всего вышло 4,5%. Рекорд по QE — на одной частоте, а общий КПД меряли с полным солнечным спектром.
«и имеет свойство концентрироваться в нелинейных областях» — это что-то типа демона Максвелла выходит — объект нагрет, но где-то само собой «нагрето» сильнее — и как раз там, где надо? И интересно что дальше — фононы сами как-то обращаются в пары дырка-электрон и уходят во внешнюю сеть? Поясните.
То есть вы считаете, что QE они считают неверно? Не учитывают эффект, о котором все давно знают? Ну напишите им что ли, откройте глаза.
Кстати, «КПД считают по энергиям а не по квантам» — не ломитесь в открытую дверь — QE никто не объявлял коэффициентом полезного действия.
«иначе у Алфёрова не менее 80%» — да, а у этих ребят 114-130 (внешний/внутренний). Есть принципиальная разница. До 100% и после 100% — принципиально разный эффект. Если куча физиков говорит, что "один фотон таки «выбивает» больше одной пары носителей, почему бы им не поверить? Там в этих институтах все сплошь недоучки, не умеющие учесть тепло среды и самой батареи? Объясните плиз.
«или часть отдаёт на эту работу а остаток (он должен быть) — в тепло.»
Так вот тут нелогично. Куда бы не шла энергия поглощённых фотонов — на создание пар носителей заряда или на тепло — сумма-то энергии от этого не меняется.
Смотрите — есть условно квадратный сантиметр батареи, на неё падает перпендикулярно поток света — столько то ватт монохромного, а на контактах столько-то вольт и апмер фототока меряется. Откуда тут неучтённый ток? Если от «неучтённого тепла», то батарея должна в ходе опыта постоянно и непрерывно охлаждаться — закон сохранения.
Ни в коем разе. Закон сохранения незыблем. Энергия одного фотона (на выбранной частоте) достаточна велика, чтобы выбить в данном материале больше, чем один носитель заряда. Там ведь больше 100% квантовая эффективность, а не КПД ячейки.
И считают они, если я правильно понял, ток, выдаваемый батареей, а не единичной точкой. Сверяя его соответственно с падающим на всю площадь этой батареи излучением.
Это как чёрный ящик: как там внутри переотражаются фотоны, с какого бока в кв. точку заходят — неважно. На что они идут внутри отдельной точки — тоже не так уж важно. Есть вход в чёрный ящик (поставленные на панельку фотоны), есть выход из ящика — (пробежавшие по проводам электроны).
Внутренняя кухня может быть любой — на определение внешней квантовой эффективности это не может повлиять «по определению», поскольку она оперирует только внешними данными «что на входе-что на выходе» — всё.
Дальше большой вопрос как интерпретировать результат. Если по вашей версии, то получается, что их батарея — нечто вроде аккумулятора энергии. Сначала они светят на неё просто так, потом измеряют (при этом почему-то именно в этот момент батарея начинает отдавать накопленное ранее, а не накапливать дальше) и получают превышение «дохода» (тока) против плана.
Но этот процесс не может быть стационарным — «аккум» рано или поздно рязрядится. А если он (процесс) стационарен — установится в конце концов определённое соотношение притока (фотонов) к выходу (фототок). Я так понимаю — его они и измеряют. И если выходит такие числа, значит система действительно именно в таком отношении конвертирует свет.
В чём я ошибаюсь?
«Тут есть совсем другое решение.. И там действительно КПД выше 60% — общий .»
А что это решение засекречено? А то тот же Боинг сколько бьётся, чтобы хотя бы до 50% доползти и никак. Ну ладно Боинг — у нас есть в России замечательные компании по производству СБ. 60%-решение СБ они с руками оторвут — три квартиры на рублёвке вам купят за него.
Ок, пусть будет каскадно. Как это может отразиться на расчётах? Есть некая система (с каскадами, с промежуточным сохранением энергии в виде фононов — не играет роли). Есть прилетевший фотон с энным запасом энергии — он превращается системой (пусть многоступенчато) в три пары дырка-электрон с таким же суммарным запасом энергии (закон сохранения чтим).
Если на деле фотон даёт только одну пару — откуда берётся энергия для остальных? Только не надо про тепло — вы сами сказали, что оно берётся от того же исходного фотона (опосредованно).
А то что «фонит обстановка» на ИК — это несерьёзно — физики в NREL вряд ли настолько тупы, чтобы не учитывать обстановку опыта.
Итак — откуда «лишние» электроны?
их энергия в среднем 1,5 вольта. Эта идеология начинает работать в нижнем диапазоне около тепловых квантов -вот они «доехали» до 0,3 вольта — это значит ,что квант должен расщепиться на 5 квантов ! -это у них примерно 1,2-1,3 ..то есть КПД по энергии — около 40% ...что и требовалось доказать. В таких процессах природа термодинамики работает — излучение «опускается» на уровень теплового .. и диссипируется.. все флюоресцирующие системы так работают..только обычно они интересны в оптических диапазонах — а это более 1,5 вольта.. здесь «открыли» известное, но, малоинтересное до сих пор, наблюдается активность в ИК области флюоресуценции на западе .. Для энергетики эта область бесперспективна — при таких потенциалах на ячейке — тепловые и резистивные потери просто огромны.. Поэтому — они и добавили туда кристаллы оксида цинка — прекрасного зеркала .и тоже имеющего много уровней накачки .. Поэтому , 4.5% это параметр системы, существенно увеличить её будет трудно.. тут каждый шаг против термодинамики и физики процесса.. Они будут пытаться поднять энергию красного порога.. но этим занимаются все..
— www.google.ru вам в помощь, скачайте конвертер форматов файлов
Сергей, если судить по открытым материалам,..»
-- три квартиры на .. где угодно — Леонид мне просто мало , за мои разработки, это они пускай кого другого нанимают, Я работаю на себя ..
Вот вы всем занимались на высоком уровне — но извините высокий уровень ваших изысканий пару десятков лет назад сейчас боится под плинтус закатиться. — это к проблеме вашего хвастовства.
Касательно самой темы статьи — да у Алферова прекрасные структуры Квантовая эффективность высокая, НО!!! даже в самых благоприятных для захвата фотонов участках спектра по соответствующим рабочим слоям — эфективность ниже 1 — значит что один фотон сколько бы лишней энергии он не имел не даст больше электронов — как следствие ограничение по току — тут же есть вероятность у фотона высшей энергии выбить дополнительную пару, причем с лихвой перекрывающая недостаток по полному захвату — следовательно в усовершенствованных многослойных структурах выполненых на уровне тех же Алферовских — гораздо меньше будет рассеиваться энергии и не суть в чем процесс, главное показатель принципиально новый по харатеру. Первые млекопитающиее тоже к примеру динозаврам в подметки не годились, и где теперь динозавры я вас спрашиваю.
Барон Мюнхаузен современности.
Впрочем убеждать вас в чем-то бессмысленно: серьезные дефекты адекватного восприятия своего места в окружающем мире не позволяют вам критично относиться к себе.
>>>Впрочем убеждать вас в чем-то бессмысленно: серьезные дефекты адекватного восприятия своего места в окружающем мире не позволяют вам критично относиться к себе.
и почему я не удивлен?
другой
Есть текст статьи. На этот текст стоит ваш комментарий — «мнение дилетанта что есть кпд электромашина или тепловая»
Пока это набор бессмысленных слов. Какое именно мнение вы осуждаете, и причём тут «тепловая», если в статье речь о сол. батарее?
«в электромашинах показатель другой» — какой другой? КПД в любом случае «полезная работа/затраченная энергия». В случае с батареей- энергия падающего света — полученные ток/напряжение на контактах. Что не так?
но как быть с энергией фотона спектр огромен
И опять — QE — не есть КПД. Что это — написано вполне ясно. Подробнее можно пойти по ссылке в тексте.
Что сделали авторы статьи и так понятно — чистая научная работе с потенциальным выходом на реализацию.
И почему это вдруг «не показатель»? Вам же не говорят, что это КПД. Кв. эффективность — один из ряда показателей, почему нет?
Да, если в розетку прибор подключить, там намерять можно что хочешь — но это не будет иметь никакого отношения к квантовой эффективности. У неё вполне ясное определение. И не случайно написано «впервые превысила 100%».
Или вы умеете и вам при этом удобно штаны через голову надевать?
Случайность?
-- не совсем, я же выше писал, что у него тоже много удобных уровней переходов (d-элемент) здесь это важно.