Инженеры из Стэнфордского Университета разработали метод повышения КПД солнечных батарей, который работает за счет излучательного охлаждения — фактически, нагревания космоса. Солнечную батарею покрыли прозрачным в оптическом диапазоне фотонным кристаллом на основе диоксида кремния, который слегка повышает поглощение устройством солнечных лучей, но заметно снижает температуру подложки благодаря излучательному охлаждению. Предварительная версия работы опубликована на сайте журнала Proceedings of the National Academy of Sciences.
Концепцию излучательного охлаждения эта же команда ученых представила в прошлом году в журнале Nature: ученые разработали ультратонкий материал (система слоев оксида гафния и кварца), способный отражать до 97 процентов всего падающего света, переизлучая его в частотном диапазоне «прозрачности» атмосферы. Таким образом, с помощью этого устройства тепло от Земли можно отводить в глубокий космос. Под прямым солнечным светом (мощностью 850 ватт на квадратный метр) материал способен охлаждаться на 4,9 градусов Цельсия ниже окружающей среды. Мощность охлаждения материала составила 40 ватт на квадратный метр.
Последняя исследованная система представляет собой солнечную батарею (трехслойная структура из нитрида кремния, p-допированного кремния и алюминия) с наложенным поверх фотонным излучательным охладителем (кварцевый фотонный кристалл, изготовленный фотолитографическим травлением). Новый охладитель способен снижать температуру подложки уже на 13 градусов Цельсия ниже температуры окружающей среды. При этом он остается полностью прозрачным для видимого света.
Известно, что чем сильнее солнечные батареи нагреваются, тем менее эффективно они способны преобразовывать фотоны в электроэнергию. Для типичной солнечной батареи на основе кристаллического кремния с КПД 20 процентов, охлаждение ячейки на 13 градусов Цельсия повышает абсолютную эффективность более чем на один процент, что представляет значительный прирост производительности.
По словам авторов, технология имеет значительный потенциал в областях применения, в которых требуется охлаждение и одновременное сохранение оптических свойств в видимом диапазоне. В качестве одного из перспективных применений авторы предлагают использовать технологию для пассивного охлаждения автомобилей в жаркие дни.
Фотонные кристаллы представляют собой материалы с периодически изменяющимся показателем преломления. Они обладают разрешенными и запрещенными зонами (по энергии фотонов) и фактически служат «оптическим фильтром» фотонов. Самыми простыми способами получения структуры фотонного кристалла являются упорядоченное осаждение наночастиц на какую-либо подложку или упорядоченное вытравливание пор в материале.