Двусторонние солнечные элементы уже позволяют панелям размещаться вертикально на земле или на крышах и даже горизонтально, как навес заправочной станции, но точно не известно, сколько электричества эти панели могут в конечном итоге вырабатывать, или сколько денег они могут сэкономить.
Новая термодинамическая формула показывает, что двусторонние ячейки, составляющие двухсторонние панели, генерируют в среднем на 15-20% больше солнечного света на электричество, чем однофазные ячейки сегодняшних односторонних солнечных панелей, принимая во внимание различную местность, такую как трава, песок и т. Д. бетон и грязь.
Формулу, разработанную двумя физиками из Университета Пердью, можно использовать для расчета за считанные минуты наибольшего количества электричества, которое двусторонние солнечные элементы могут генерировать в различных средах, как определено термодинамическим пределом.
"Формула представляет собой простой треугольник, но преобразование чрезвычайно сложной физической проблемы в эту элегантно простую формулировку потребовало многих лет моделирования и исследований. Этот треугольник поможет компаниям принимать более обоснованные решения об инвестициях в солнечные элементы следующего поколения и выяснять, как сделать их более эффективными », – сказал Мухаммад« Ашраф »Алам, Джей Н из Purdue.
Гупта, профессор электротехники и вычислительной техники.
В статье, опубликованной в Proceedings of the National Academy of Sciences, Алам и соавтор Райан Хан, ныне доцент Восточно-Западного университета в Бангладеш, также показывают, как формулу можно использовать для расчета термодинамических пределов всех солнечных элементов, разработанных в последние 50 лет. Эти результаты можно обобщить на технологии, которые, вероятно, будут разработаны в течение следующих 20-30 лет.
Есть надежда, что эти расчеты помогут солнечным фермам в полной мере использовать преимущества двусторонних ячеек на ранних этапах их использования.
«Потребовалось почти 50 лет, чтобы монофациальные клетки появились в полевых условиях экономически эффективным способом», – сказал Алам. «Технология оказалась на удивление успешной, но теперь мы знаем, что больше не можем значительно повысить их эффективность или снизить стоимость.
Наша формула будет направлять и ускорять развитие двусторонних технологий в более короткие сроки."
В статье математика могла быть решена как раз вовремя: по оценкам экспертов, к 2030 году двусторонние солнечные элементы будут составлять почти половину доли рынка солнечных панелей во всем мире.
Подход Алама называется «треугольником Шокли-Кайссера», поскольку он основан на предсказаниях исследователей Уильяма Шокли и Ханса-Йоахима Кайссера о максимальной теоретической эффективности однофазного солнечного элемента.
Эту точку максимума или термодинамический предел можно определить на наклонной вниз линейной диаграмме, которая образует треугольную форму.
Формула показывает, что прирост эффективности двусторонних солнечных элементов увеличивается при отражении света от поверхности. Значительно больше энергии будет преобразовано из света, отраженного, например, от бетона, по сравнению с поверхностью с растительностью.
Исследователи используют эту формулу, чтобы рекомендовать лучший двусторонний дизайн панелей на сельскохозяйственных угодьях и окон зданий в густонаселенных городах.
Прозрачные двусторонние панели позволяют вырабатывать солнечную энергию на сельскохозяйственных угодьях, не отбрасывая тени, которые могут препятствовать производству сельскохозяйственных культур. Между тем, создание двусторонних окон для зданий поможет городам использовать больше возобновляемой энергии.
В статье также рекомендуются способы максимизировать потенциал двусторонних ячеек, манипулируя количеством границ между полупроводниковыми материалами, называемыми переходами, которые облегчают прохождение электричества. Бифациальные клетки с одиночными соединениями обеспечивают наибольший прирост эффективности по сравнению с монофациальными клетками.
"Относительный выигрыш невелик, но абсолютный выигрыш значителен.
Вы теряете первоначальный относительный выигрыш по мере увеличения количества перекрестков, но абсолютный выигрыш продолжает расти », – сказал Хан.
Формула, подробно описанная в статье, была тщательно проверена и готова для использования компаниями, когда они решают, как создать двусторонние клетки.
Это исследование было частично поддержано Национальным научным фондом в рамках премии 1724728.