時間反転の非対称性が太陽電池の変換効率の限界を超えている

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放出された光が後続のセルによって吸収される多光起電セルシステム(左)とは異なり、SergeevとSablonによって提案された単一セルの非相互光起電力コンバーター(右)は、放出された光を同じセルによって再吸収させ、放出損失を制限します。追加のPVセルの必要性。 クレジット:Sergeev and Sablon、 Journal of Photonics for Energy (2022)DOI:10.1117/1.JPE.12.032207。

太陽エネルギーは、化石燃料の持続可能な代替燃料の人気のある候補です。 太陽電池、または太陽光発電(PV)セルは、太陽光を直接電気に変換します。 しかし、変換効率は、太陽電池の広範なアプリケーションを可能にするのに十分ではありませんでした。

PVデバイスの最大効率に対する基本的な制限は、熱力学的特性、つまり温度とエントロピー(システムの無秩序の尺度)によって与えられます。 より具体的には、ランズバーグ限界として知られるこの限界は、日光に起因することが多い黒体放射のエントロピーによって課せられます。 Landsbergの制限は、太陽光のコンバーターの効率に対する最も一般的な制限と広く見なされています。

Shockley-Queisser(SQ)制限と呼ばれる別の制限は、キルヒホッフの法則に由来します。この法則では、吸収率と放射率は、すべての光子エネルギーとすべての伝搬方向で等しくなければなりません。 これは本質的に、何十年にもわたって太陽電池の動作を支配してきた「詳細釣り合い」の原則です。 キルヒホッフの法則は、実際、いわゆる「時間反転対称性」の結果です。 したがって、SQ制限を回避する1つの方法は、光を一方向にのみ伝搬させることによってこの対称性を破ることです。 簡単に言えば、PVコンバーターがより多くを吸収し、より少ない放射を放出する場合、SQ制限を超えることができます。

で公開された新しい研究では Journal of Photonics for Energy ((JPE)、米国陸軍研究所のAndrei Sergeevと、陸軍将来コマンドのKimberly Sablon、テキサスA&M大学は、PVコンバーターからの放出を、その合計に影響を与えることなく大幅に削減できる「非相反フォトニック構造」を利用して、SQ制限を破る方法を提案しています。光吸収。

この研究では、非相反光子のリサイクルにより、同じセルから放出された放射線を100%再利用できるように、非相反光学部品と統合された単一セルPV設計を検討しています。 これは、あるセルから放出された光が別のセルに吸収されるように配置された、複数の多接合セルを備えたPVコンバータを考慮した以前の設計とは対照的です。

ローレンツ、フォンラウエ、アインシュタイン、ランダウ、ブリルアン、シュレーディンガーの独創的な作品に続いて、セルゲイフとサブロンは、コヒーレンス、相対性理論、非平衡分布、無秩序、情報、ネゲントロピーの観点から太陽光エントロピーについても論じています。 著者らは、太陽内部の強く無秩序な放射とは対照的に、太陽光の光子は狭い立体角で直線に沿って移動することを観察しています。 SergeevとSablonの場合、この観察結果は、太陽光が真のグリーンパワーを提供し、その変換効率は変換方法にのみ依存することを示唆しています。

著者らは、準単色放射の場合、非相反単セルPVコンバーターが理論的に最大の「カルノー効率」、つまり理想的な熱機関の効率に達し、ランズバーグの限界を超えることを示しました。 これは、多色放射(太陽光の特性)にも当てはまりました。

興味深いことに、これは光ダイオードに関連する熱力学的パラドックスを解決するのに役立ちました。 パラドックスは、光ダイオードが一方向の光伝搬のみを許可することにより、吸収体の温度を太陽の温度より高くすることができると述べました。 これは、熱力学の第二法則に違反します。 この研究は、カルノー効率に到達するために無限の数の光子リサイクルが必要であり、したがって法律に違反することを示しました。

さらに、研究者らは、熱力学的考察を、光によって誘発される非ゼロの化学ポテンシャルを伴う非平衡光子分布に一般化し、非相反性単一セルPVコンバーターの限界効率を導き出しました。

「この研究は、非相反光学の急速な進歩と、量子効率の高い低コストの光起電力材料の開発によって動機付けられました」とセルゲイフ氏は述べ、特にペロブスカイト材料を引用し、「これらの材料の弱い非放射再結合は、放射プロセスの管理によるPV変換。」

非相反的なフォトニック構造が増加しているため、近い将来、高効率のPVコンバータの開発が期待される可能性があります。 世界のエネルギー危機に対する持続可能な解決策の探求が続く中、この研究は太陽電池技術に大きな希望をもたらします。


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詳しくは:
Andrei Sergeev et al、光起電変換のための非相互フォトニック管理:設計と基本的な効率限界、 Journal of Photonics for Energy (2022)。 DOI:10.1117 / 1.JPE.12.032207

SPIE提供–InternationalSocietyfor Optics and Photonics

引用:時間反転非対称性が、https://phys.org/news/2022-06-time-reversal-asymmetry-surpasses-conversion-efficiency.htmlから2022年6月2日に取得された太陽電池の変換効率制限(2022年6月1日)を超えています

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