Διπλασιασμός των χρήσιμων φωτονίων στους ηλιακούς συλλέκτες

Από σελίδα του PhysicsWeb, 25 Ιουλίου 2002

Τα ηλιακοί συλλέκτες θα μπορούσαν να ανεβάσουν την αποδοτικότητα τους κατά 30%,  χρησιμοποιώντας μια συσκευή που προτάθηκε από τους φυσικούς στην Αυστραλία και τη Γερμανία. Ο φυσικός Martin Green, του Κέντρου για την τρίτη γενεά φωτοβολταϊκών, στο Πανεπιστήμιο της Νότιας Νέας Ουαλίας και οι συνάδελφοι του λένε ότι οι μετατροπείς αυτοί θα μπορούσαν να συνδεθούν με τους υπάρχοντες ηλιακούς συλλέκτες για να διπλασιάσουν τον αριθμό των "χρήσιμων" φωτονίων που συλλαμβάνουν (Τ. Trupke και λοιποί 2002 J. Appl. Phys. 92 1668).

Οι ηλιακοί συλλέκτες είναι ευαίσθητοι μόνο στα φωτόνια με μήκη κύματος που αντιστοιχούν στο ενεργειακό χάσμα του υλικού από το οποίο κατασκευάζονται. Όταν τα φωτόνια με αυτό το μήκος κύματος φθάνουν στο κύτταρο, διεγείρουν τα ηλεκτρόνια στη ζώνη αγωγιμότητας του υλικού, δημιουργώντας έτσι το ηλεκτρικό ρεύμα. Αλλά τα φωτόνια υψηλής ενέργειας δεν μπορούν να συμβάλουν σε αυτό το ρεύμα, και μπορούν να μειώσουν την αποδοτικότητα του κυττάρου θερμαίνοντας το.

Τώρα ο Green και οι συνάδελφοι του λένε ότι θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν και τα φωτόνια της υψηλής ενέργειας και να μετατραπούν σε ρεύμα χρησιμοποιώντας έναν "μετατροπέα προς τα κάτω" - μια συσκευή που διαχωρίζει τα υψηλής ενέργειας φωτόνια σε δύο φωτόνια χαμηλής ενέργειας. Όταν ένα φωτόνιο φθάνει στον μετατροπέα, διεγείρει ένα ηλεκτρόνιο σε ένα πιο υψηλό ενεργειακό επίπεδο. Αλλά το ηλεκτρόνιο επιστρέφει στην βασική του κατάσταση μέσω ενός ενδιάμεσου ενεργειακού επιπέδου, και τότε εκπέμπει ένα φωτόνιο χαμηλής ενέργειας σε κάθε στάδιο.

Συντονίζοντας ένα μετατροπέα για να εκπέμψει φωτόνια με ένα μήκος κύματος που αντιστοιχεί στο ενεργειακό χάσμα ενός ηλιακού κυττάρου, ένα υψηλής ενέργειας φωτόνιο θα μπορούσε τότε να χωριστεί σε δύο "χρήσιμα" φωτόνια. Σύμφωνα με τον Green και τους συναδέλφους του, αυτό θα μπορούσε να αυξήσει την αποδοτικότητα των ηλιακών συλλεκτών από το παρόν μέγιστο που είναι περίπου 30% σε σχεδόν 40%.

Η ομάδα υπολόγισε ότι η υψηλότερη αποδοτικότητα θα μπορούσε να επιτευχθεί με την τοποθέτηση ενός μετατροπέα όπισθεν του ηλιακού συλλέκτη - δηλαδή την αντίθετη πλευρά στην οποία πέφτει το φως του ήλιου. Αυτό θα επέτρεπε στα υψηλής ενέργειας φωτόνια να περάσουν μέσω του συλλέκτη στον μετατροπέα, ενώ θα επέτρεπε στο συλλέκτη να συλλάβει τα φωτόνια της χαμηλής ενέργειας.

Όμως το μειονέκτημα αυτής της οργάνωσης είναι ότι οι περισσότεροι ηλιακοί συλλέκτες γίνονται από ημιαγωγούς, οι οποίοι δεν θα επέτρεπαν στα φωτόνια της υψηλής ενέργειας να τα διαπεράσουν. Εντούτοις, οι ερευνητές λένε ότι αυτή η ρύθμιση θα ήταν κατάλληλη για τους ηλιακούς συλλέκτες τους ευαισθητοποιημένους δια βαφής.

Αλλά η πιο ελπιδοφόρος ρύθμιση θα προέβλεπε τον μετατροπέα να συνδέεται με το "μπροστινό μέρος" ενός ηλιακού συλλέκτη. Αν και αυτό θα εμπόδιζε τα φωτόνια χαμηλής ενέργειας να προσπίπτουν, θα ωθούσε ακόμα περισσότερο τη γενική αποδοτικότητα του συλλέκτη σε 38.6%. Επιπλέον, λένε για παράδειγμα οι ερευνητές, αυτή η οργάνωση θα επέτρεπε να εγκατασταθούν μετατροπείς σε ηλιακούς συλλέκτες με ημιαγωγούς.

Σύμφωνα με τον Green και τους συναδέλφους του, οι μετατροπείς προς τα κάτω πρέπει να είναι κατασκευάζονται με απλά μέσα, όπως πχ το αργιλικό αρσενίδιο, χρησιμοποιώντας κατασκευαστικές τεχνικές τύπου 'επίστρωσης'