Известно, что фотогальванические элементы являются основой солнечных батарей, которые представляют собой один из самых многообещающих альтернативных источников экологически чистой энергии. Конструкция этих элементов крайне проста и надежна, они не имеют движущихся частей и не производят выбросов вредных веществ в окружающую среду. К сожалению, эффективность современных солнечных батарей крайне низка и одна из причин этого заключается в их перегреве. Для решения проблемы перегрева группа из Стэнфордского университета, возглавляемая профессором электротехники Шэнхуи Фэном (Shanhui Fan), разработала специальное тонкое стеклянное покрытие, которое позволяет фотогальваническим элементам солнечных батарей самостоятельно охлаждаться.
Высокий нагрев солнечных батарей является следствием их низкой эффективности, которая в лучшем случае составляет 20 процентов. Остальные 80 процентов энергии солнечного света нагревают солнечные батареи до средней температуры порядка 55 градусов по шкале Цельсия и выше. Но, с увеличением температуры фотогальванического элемента на 1 градус, его эффективность падает на 0.5 процента. К сожалению, эта зависимость совсем не линейна и повышение температуры элемента на 10 градусов приводит к снижению эффективности почти в два раза.
Использование технологий принудительного охлаждения кажется вполне достойным выходом из создавшегося положения. Однако, активные элементы систем охлаждения, такие, как вентиляторы или насосы, перекачивающие хладагент, потребляют значительное количество энергии, требуют периодического обслуживания и служат элементом, снижающим надежность системы в целом. Пассивные системы охлаждения имеют очень низкую производительность и не могут справиться с задачей охлаждения солнечных батарей.
Решение, разработанное группой профессора Шэнхуи Фэна, является адаптацией разработанной ими ранее технологии, предназначенной для самоохлаждения зданий. На поверхность обычной солнечной батареи наносится тонкий слой кварцевого стекла, поверхность которого сформирована по определенному шаблону. Крошечные пирамидки на поверхности стеклянного покрытия отводят излишки тепла от солнечных батарей и излучают его в окружающую среду в виде инфракрасного излучения.
Поверхность теплоотводящего слоя состоит из крошечных пирамидок и конусов, имеющих толщину в несколько микрон и упорядоченных особым образом. Форма этих элементов делает из них своеобразные резонаторы, превращающие энергию фононов, квазичастиц, переносящих тепло, в энергию фотонов инфракрасного света, а наличие элементов различной формы и размеров позволяет расширить диапазон длин волн инфракрасных фотонов, в которые превращается тепло.
"Кварц полностью прозрачен для света видимого диапазона, но, используя "метаматериальную" структуру поверхности можно точно настроить то, какие из длин волн света он будет максимально эффективно преломлять и излучать" - рассказывает профессор Фэн, - "Таким образом, наличие тонкого слоя кварцевого стекла практически не влияет на эффективность солнечной батареи, но это положительно влияет на излучение инфракрасного излучения определенной "тепловой" длины волны, что позволяет достаточно эффективно охладить солнечную батарею, увеличивая ее коэффициент полезного действия".
В настоящее время группа из Стэнфордского университета продолжает работу, точно подбирая размеры микроэлементов поверхности покрытия из кварцевого стекла, добиваясь еще большего снижения рабочей температуры солнечных батарей. Вместе с этим ведутся работы по разработке технологий поддержания в чистоте сложной поверхности кварцевого покрытия, что сделает солнечные батареи с таким покрытием более надежными и требующими меньшего ухода за их поверхностью.