Теорія Дарвіна допоможе підвищити ККД сонячних панелей
Тонкоплівкові сонячні батареї на органічних полімерах перевершують традиційні аналоги в плані дешевизни і широкого спектру методів застосування, але вони поки не змогли наблизитися до фотоелектричних осередків з кристалічного кремнію в плані ефективності.
Тонкоплівкові сонячні батареї на органічних полімерах перевершують традиційні аналоги в плані дешевизни і широкого спектру методів застосування, але вони поки не змогли наблизитися до фотоелектричних осередків з кристалічного кремнію в плані ефективності.
Спроби оптимізувати структуру органічних фотоелектричних елементів шляхом зміни товщини полімерних шарів завершилися неоднозначними результатами. Провідні вчені пішли по іншому шляху: якщо фотони світла можуть бути захоплені всередині шару полімеру на досить тривалий час, декілька з них можуть бути перетворені в додаткову енергію. Американські дослідники з Північно-Західного університету вирішили надихатися еволюцією, щоб встановити новий рекорд в області тривалості захоплення світла.
Щоб добитися оптимальної структури шарів розсіювання, вони стали аналізувати різні матеріали, поверхня яких складається з геометричних фігур, використовуючи метод проб і помилок. Але знаходження оптимального рішення за допомогою такого методу передбачає необхідність враховувати ефекти віддзеркалення і взаємної дифракції в розрізі декількох шарів різних матеріалів, що дуже трудомістко. Тому вчені вирішили звузити пошук, звернувшись за допомогою до Чарльза Дарвіна, а точніше до його закону природного відбору.
Дослідники створили математичний алгоритм, заснований на законі природного добору (теорія Дарвіна), який свідчить, що випадкові мутації й випадкові схрещування генів можуть призвести до чудових результатів, дозволяючи тваринам отримати нові можливості в області виживання і розмноження. При цьому гени з низьким рівнем корисності не виживають.
Математичний алгоритм працює аналогічно: для розрахунку відносної ефективності розсіювання в порівнянні з бажаним ефектом застосовується набір правил. Потім моделі з кращими результатами об’єднуються або мутують, щоб створити моделі розсіювання “нового покоління”. До справжнього моменту команда добилася ефекту захоплення світла, який в три рази краще, ніж максимальне теоретичне граничний час, протягом якого фотон може затримуватися в напівпровіднику (т.зв. межа Яблоновіча; був відкритий в 1982 році).
Як таке можливо? Все пов’язано з тим, що межа Яблоновіча відноситься до світла, що попадає на шари напівпровідника, які є занадто товстими в порівнянні з довжиною хвилі світла. При цьому нові матеріали можуть бути набагато тонше, ніж довжина хвилі сонячного світла. Передбачити час початку практичного застосування такої технології важко, так як модифікація структури фотоелектричної осередку ускладнює процес її виготовлення, а разом з цим зростає і ціна сонячних батарей.
