Till skillnad från ett multifotovoltaiskt cellsystem där det emitterade ljuset absorberas av en efterföljande cell (vänster), orsakar den encells icke-reciproka fotovoltaiska omvandlaren som föreslås av Sergeev och Sablon (höger) att emitterat ljus återabsorberas av samma cell, vilket begränsar emissionsförlusterna utan behov av ytterligare PV-celler. Kredit:Sergeev och Sablon, Journal of Photonics for Energy (2022) DOI:10.1117/1.JPE.12.032207.
Solenergi är en populär kandidat för ett hållbart alternativ till fossila bränslen. En solcell, eller fotovoltaisk (PV) cell, omvandlar solljus direkt till elektricitet. Konverteringseffektiviteten har dock inte räckt till för att möjliggöra breda tillämpningar av solceller.
En grundläggande gräns för maximal effektivitet hos PV-enheter ges av termodynamiska egenskaper, nämligen temperatur och entropi (ett mått på oordning i ett system). Mer specifikt är denna gräns, känd som Landsberg-gränsen, påtvingad av entropin hos den svartkroppsstrålning som ofta tillskrivs solljus. Landsberg-gränsen anses allmänt vara den mest allmänna gränsen för effektiviteten hos alla omvandlare av solljus.
En annan gräns, som kallas Shockley-Queisser (SQ)-gränsen, kommer från Kirchhoffs lag, som säger att absorptiviteten och emissiviteten ska vara lika för vilken fotonenergi som helst och för vilken utbredningsriktning som helst. Detta är i grunden principen om "detaljerad balans" som har styrt solcellsdrift i årtionden. Kirchhoffs lag är i själva verket en konsekvens av vad som kallas "tidsomkastningssymmetri". Ett sätt att kringgå SQ-gränsen är därför att bryta denna symmetri genom att tillåta ljus att fortplanta sig endast i en riktning. Enkelt uttryckt kan SQ-gränsen överträffas om PV-omvandlaren absorberar mer och avger mindre strålning.
I en ny studie publicerad i Journal of Photonics for Energy (JPE ), föreslår forskarna Andrei Sergeev från US Army Research Laboratory och Kimberly Sablon från Army Futures Command och Texas A&M University ett sätt att bryta SQ-gränsen genom att använda "icke-reciproka fotoniska strukturer" som drastiskt kan minska emissionen från en PV-omvandlare utan att påverka dess totala ljusabsorption.
Forskningen utforskar en encellig PV-design integrerad med icke-reciproka optiska komponenter för att ge en 100-procentig återanvändning av den utsända strålningen från samma cell på grund av icke-ömsesidig fotonåtervinning. Detta i motsats till tidigare konstruktioner, som betraktade en PV-omvandlare med flera multijunction-celler, arrangerad på ett sådant sätt att ljuset som sänds ut av en cell absorberades av en annan.
Efter Lorentz, von Laue, Einstein, Landau, Brillouin och Schrödinger, sergeev och Sablon diskuterar även solljusentropi i termer av koherens, relativitet, ojämviktsfördelningar, oordning, information och negentropi. Författarna observerar att i motsats till den starkt oordnade strålningen inuti solen, rör sig fotoner i solljus längs raka linjer i en smal rymd vinkel. För Sergeev och Sablon antyder denna observation att solljus ger oss verklig grön kraft och dess omvandlingseffektivitet beror bara på hur vi kommer att omvandla det.
Författarna visade att för kvasimonokromatisk strålning nådde den icke-reciproka encelliga PV-omvandlaren den teoretiskt maximala "Carnot-effektiviteten", effektiviteten hos en idealisk värmemotor, som överskrider Landsbergs gräns. Detta var också fallet för flerfärgsstrålning (karakteristisk för solljus).
Intressant nog hjälpte detta till att lösa en termodynamisk paradox relaterad till en optisk diod. Paradoxen angav att en optisk diod kunde höja absorbatorns temperatur över soltemperaturen genom att endast tillåta enkelriktad ljusspridning. Detta skulle bryta mot termodynamikens andra lag. Studien visade att ett oändligt antal fotoneråtervinningar skulle behövas för att nå Carnot-effektiviteten och därmed bryta mot lagen.
Dessutom generaliserade forskarna de termodynamiska övervägandena till icke-jämviktsfotonfördelningar med ljusinducerad kemisk potential som inte är noll och härledde den begränsande effektiviteten hos en icke-reciprok encellig PV-omvandlare.
"Denna forskning motiverades av snabba framsteg inom icke-ömsesidig optik och av utveckling av billiga fotovoltaiska material med hög kvanteffektivitet", säger Sergeev och citerar särskilt perovskitmaterial och noterar:"Svag icke-strålningsrekombination i dessa material skulle möjliggöra avancerad förbättring av PV-konvertering via hantering av strålningsprocesser."
Med icke-reciproka fotoniska strukturer på frammarsch, kan utvecklingen av högeffektiva PV-omvandlare förväntas inom en snar framtid. När jakten på hållbara lösningar på världens energikris fortsätter, ger denna studie mycket hopp om solcellsteknik. + Utforska vidare
