Създадоха самоохлаждащи се соларни клетки

Учените са на път да отстранят една от най-големите пречки пред създаването на суперефективни и дълготрайни соларни клетки - прегряването. Екип изследователи от университета Станфорд е открил начин да накара фотоволтаичните клетки сами да се охлаждат, като изтласкват навън нежеланата топлинна радиация.

Това става възможно чрез добавянето на слой силикатно стъкло (силициев диоксид) със специална текстура към повърхността на обикновени соларни клетки. При нормални условия фотоволтаичните модули обикновено достигат температури около 55 оC или повече. Това бързо снижава ефективността им и може значително да съкрати жизнения им цикъл.

Активното охлаждане на соларните клетки (чрез вентилация или охладители) би било излишно скъпо и в противоречие със стремежа да се оптимизира излагането им на слънце, за да се максимизират добивите. Новоразработената технология елиминира нуждата от такива мерки и предлага по-елегантен пасивен подход към охлаждането.

Учените са открили, че с изработването на специфична текстура върху силикатното стъкло, съставена от микроскопични пирамиди и конуси, ненужната топлина може да бъде пренасочвана под формата на инфрачервена радиация от повърхността на фотоволтаичните батерии към атмосферата.

„Разработката ни пасивно понижава работната температура на соларните клетки, като значително подобрява ефективността при преобразуването на енергия и увеличава очакваната продължителност на жизнения им цикъл. Тези нови възможности вероятно ще стимулират по-нататъшни разработки в областта на фотоволтаиката и ще ускорят масовото прилагане на соларните технологии”, убедени са учените.

PV батериите преобразуват слънчевите лъчи в електрическа енергия. При преминаването на фотони през полупроводниковите зони на клетките те избиват електрони от атомите, позволявайки на електричеството да протича свободно. Най-успешните и широко разпространени технологии, базирани на силициеви полупроводници, преобразуват в електричество максимум 30% от енергията, която получават от слънцето.

Соларната енергия, която не бъде преобразувана, генерира топлина, която значително намалява ефективността на фотоволтаичните модули. За всеки градус увеличение на температурата к.п.д. на клетката спада с около половин процент.

"Този феномен е от особено значение за PV индустрията, която инвестира огромни суми в оптимизиране на ефективността. Нашата технология е базирана на покритие, което може да бъде добавено към всяка соларна клетка. Именно това превръща разработката в иновация с глобална значимост", твърдят изследователите.

За да е ефикасно пасивното охлаждане на соларните клетки, те трябва да могат да се освобождават от излишната топлина без да губят енергия. Това е възможно благодарение на свойствата на светлината и образуването на специален инфрачервен "прозорец" в земната атмосфера.

Вълните с различни дължини в светлинния спектър взаимодействат със соларните клетки по различни начини - видимата светлина е най-ефективна при производството на електричество, докато инфрачервената най-ефикасно пренася топлина. Различните дължини на вълните предполагат и различно пречупване в зависимост от типа и формата на материала, през който преминават.

Учените се възползват от тези базови принципи при създаването на силикатния слой, през който видимата светлина преминава безпрепятствено, като същевременно се увеличава количеството топлинна енергия, която може да бъде изведена от соларната клетка.

"Силициевият диоксид е прозрачен за видимата светлина, като същевременно пречупва по специфичен начин лъчите с определени дължини на вълната. Специално проектираният за целта силикатен слой улеснява напускането на топлината от соларните клетки, без да влияе негативно на ефективността им", обясняват изследователите.

За да тестват откритието си, те сравняват два силикатни слоя с различна текстура - единият гладък и с дебелина 5 мм, а другият - по-тънък и със специална шарка от микроскопични конуси и пирамиди с размери едва няколко микрона във всяко направление. Чрез прецизно контролиране на размера и позиционирането им микроформите могат да бъдат настроени така, че да пречупват и пренасочват само нежеланата инфрачервена светлина.

"Целта беше да понижим работната температура на фотоволтаичните модули, без да влошим свойствата им да абсорбират слънчевата светлина. Ако гладкият силикатен слой позволяваше известно самоохлаждане, но през него се губеше и енергия, то грапавият слой осигури извеждане само на инфрачервената светлина и се доближи до идеалния сценарий”, допълват учените.