Большие фотоэлектрические батареи на крыше вырабатывают электроэнергию за счет вертикально движущихся зарядов. Новые маленькие ячейки, описанные сегодня (3 августа 2016 г.) в журнале Advanced Materials Technologies, улавливают ток от зарядов, движущихся из стороны в сторону или в стороны.
И они производят значительно больше энергии, чем другие солнечные системы, расположенные сбоку.Боковые солнечные элементы нового поколения обещают стать следующим большим достижением для компактных устройств, потому что расположение электродов по горизонтали позволяет инженерам обойти традиционный процесс изготовления солнечных элементов: сложную задачу идеального выравнивания нескольких слоев материала элемента друг над другом.
«С точки зрения изготовления, всегда будет проще создавать параллельные конструкции», — говорит Хунжуй Цзян, профессор электротехники и компьютерной инженерии из Университета штата Мэдисон и автор статьи. «Нисходящие структуры необходимо создавать в несколько этапов, а затем выравнивать, что очень сложно в небольших масштабах».Боковые солнечные элементы также предлагают инженерам большую гибкость в выборе материалов.Нисходящие фотоэлектрические элементы состоят из двух электродов, окружающих полупроводниковый материал, например ломтики хлеба, вокруг мяса в бутерброде. Когда свет попадает на верхний слой, заряд проходит через начинку к нижнему слою и создает электрический ток.
При расположении сверху вниз один слой должен выполнять две задачи: он должен пропускать свет и передавать заряд. Следовательно, материал одного электрода в типичном солнечном элементе должен быть не только очень прозрачным, но и электропроводным.
И очень немногие вещества хорошо справляются с обеими задачами.Вместо того, чтобы строить сэндвич с солнечными элементами по одному слою, группа Цзяна создала плотно упакованный ряд миниатюрных электродов поверх прозрачного стекла. Получившаяся структура — сродни целой буханке хлеба сэндвичей с солнечными элементами, стоящей боком на прозрачной пластине — разделяет светособирающую и проводящую заряд функции между двумя компонентами.Вообще, синтезировать такие боковые бутерброды — дело непростое.
Другие подходы, основанные на сложных внутренних нанопроводах или дорогостоящих материалах, называемых перовскитами, не соответствуют множеству критериев качества солнечных элементов.«Мы легко победим все остальные боковые конструкции», — говорит Цзян.Существующие современные боковые солнечные элементы нового поколения преобразуют всего 1,8 процента поступающего света в полезную электроэнергию.
Группа Цзяна почти утроила этот показатель, достигнув 5,2% эффективности.«В других конструкциях много объема тратится впустую, потому что нет электродов или электроды не совпадают», — говорит Цзян. «Разработанная нами технология позволяет нам изготавливать очень компактные боковые конструкции, которые используют весь объем».Упаковка такого количества электродов в такой небольшой объем повысила «коэффициенты заполнения» устройств, показатель, связанный с максимально достижимой мощностью, напряжением и током.
В конструкциях реализован коэффициент заполнения до 0,6 — более чем в два раза выше продемонстрированного максимума для других боковых солнечных элементов нового поколения.Цзян и его коллеги работают над тем, чтобы сделать свои солнечные элементы еще меньше и эффективнее, исследуя материалы, которые дополнительно оптимизируют прозрачность и проводимость.
В конечном итоге они планируют разработать небольшой гибкий солнечный элемент, который мог бы обеспечивать питание электрически настраиваемой контактной линзы.