Zonne-energie is een populaire kandidaat voor een duurzaam alternatief voor fossiele brandstoffen. Een zonnecel, of fotovoltaïsche (PV) cel, zet zonlicht direct om in elektriciteit. Het conversierendement was echter niet voldoende om wijdverbreide toepassingen van zonnecellen mogelijk te maken.

Een fundamentele grens aan de maximale efficiëntie van PV-apparaten wordt gegeven door thermodynamische kenmerken, namelijk temperatuur en entropie (een maatstaf voor wanorde in een systeem). Meer specifiek wordt deze limiet, bekend als de Landsberg-limiet, opgelegd door de entropie van de blackbody-straling die vaak wordt toegeschreven aan zonlicht. De Landsberg-limiet wordt algemeen beschouwd als de meest algemene limiet voor de efficiëntie van een omzetter van zonlicht.

Een andere limiet, de Shockley-Queisser (SQ) limiet genoemd, komt van de wet van Kirchhoff, die stelt dat het absorptievermogen en de emissiviteit gelijk moeten zijn voor elke fotonenergie en voor elke voortplantingsrichting. Dit is in wezen het principe van "gedetailleerde balans" dat de werking van zonnecellen al tientallen jaren beheerst. De wet van Kirchhoff is in feite een gevolg van wat 'tijdomkeringssymmetrie' wordt genoemd. Een manier om de SQ-limiet te omzeilen is daarom deze symmetrie te doorbreken door licht zich slechts in één richting te laten voortplanten. Simpel gezegd, de SQ-limiet kan worden overschreden als de PV-omvormer meer absorbeert en minder straling afgeeft.

In een nieuwe studie gepubliceerd in het Journal of Photonics for Energy (JPE ), stellen onderzoekers Andrei Sergeev van het US Army Research Laboratory en Kimberly Sablon van Army Futures Command en Texas A&M University een manier voor om de SQ-limiet te doorbreken door gebruik te maken van "niet-reciproke fotonische structuren" die de emissie van een PV-converter drastisch kunnen verminderen zonder de totale lichtabsorptie.

Het onderzoek onderzoekt een eencellig PV-ontwerp dat is geïntegreerd met niet-wederkerige optische componenten om een ​​100 procent hergebruik van de uitgezonden straling door dezelfde cel te bieden als gevolg van niet-wederkerige fotonrecycling. Dit in tegenstelling tot eerdere ontwerpen, waarbij werd uitgegaan van een PV-converter met meerdere multijunction-cellen, zo gerangschikt dat het licht van de ene cel werd geabsorbeerd door een andere.

In navolging van de baanbrekende werken van Lorentz, von Laue, Einstein, Landau, Brillouin en Schrödinger, bespreken Sergeev en Sablon ook zonlichtentropie in termen van coherentie, relativiteit, niet-evenwichtsverdelingen, wanorde, informatie en negentropie. De auteurs stellen vast dat in tegenstelling tot de sterk ongeordende straling in de zon, fotonen in zonlicht zich langs rechte lijnen in een smalle ruimtehoek bewegen. Voor Sergeev en Sablon suggereert deze observatie dat zonlicht ons echte groene stroom levert en dat de conversie-efficiëntie alleen afhangt van hoe we het zullen omzetten.

De auteurs toonden aan dat voor quasimonochromatische straling de niet-reciproke eencellige PV-omzetter de theoretisch maximale "Carnot-efficiëntie" bereikte, de efficiëntie van een ideale warmtemotor, die de Landsberg-limiet overschrijdt. Dit was ook het geval voor veelkleurige straling (karakteristiek voor zonlicht).

Interessant is dat dit hielp bij het oplossen van een thermodynamische paradox die verband houdt met een optische diode. De paradox stelde dat een optische diode de temperatuur van de absorber boven de zontemperatuur zou kunnen verhogen door slechts eenrichtingslichtvoortplanting toe te staan. Dit zou in strijd zijn met de tweede wet van de thermodynamica. De studie toonde aan dat een oneindig aantal foton-recycling nodig zou zijn om de Carnot-efficiëntie te bereiken en dus de wet te overtreden.

Bovendien hebben de onderzoekers de thermodynamische overwegingen gegeneraliseerd naar niet-evenwichtige fotonverdelingen met door licht geïnduceerd niet-nul chemisch potentieel en hebben ze de beperkende efficiëntie afgeleid van een niet-reciproke eencellige PV-omzetter.

"Dit onderzoek werd gemotiveerd door snelle vooruitgang in niet-reciproke optica en door de ontwikkeling van goedkope fotovoltaïsche materialen met een hoge kwantumefficiëntie", zegt Sergeev, waarbij hij in het bijzonder perovskietmaterialen aanhaalt en opmerkt:"Een zwakke niet-stralingsrecombinatie in deze materialen zou geavanceerde verbetering van PV-conversie via beheer van stralingsprocessen."

Nu niet-wederkerige fotonische structuren in opkomst zijn, kan in de nabije toekomst de ontwikkeling van hoogrenderende PV-converters worden verwacht. Terwijl de jacht op duurzame oplossingen voor de wereldwijde energiecrisis voortduurt, biedt deze studie veel hoop voor zonneceltechnologie. + Verder verkennen

Nieuwe zonnecelarchitectuur presteert goed onder reële beperkingen