Veidrasse kvantolekusse viidud aatomid võivad päikesepatareides päikesevalgust tunduvalt efektiivsemalt elektrienergiaks muuta, kui varasemalt arvatud.
Termodünaamika seadused seavad päikespatareide maksimaalsele efektiivsusele piiri umbes 80·% läheduses, ütles töö autor Marlan Scully, Princetoni ülikoolist. Ent antud hinnang ei võta arvesse teatud kvantefekte. Scully poolt loodud uus mudel näitab, et energiaefektiivsust saab sõltuvalt süsteemi omadustest isegi kõrgemaks ajada.
2010. aastal Joseph von Fraunhoferi nimelise auhinna pälvinud Andreas Betti ja Frank Dimrothi fotoelemendi efektiivsus on 41,1·%. Foto·: Solar daily
“Ma arvan, et alati on tähtis teada, mis kõrgeim saavutatav efektiivsus on. Ilma piirangute teadmata ei tea sa, millele keskenduda,” ütles Ting Shan Luk, kes uuringus ei osalenud, Sandia rahvuslikust laboratooriumist.
Fotoelektrilised elemendid püüavad Päikeselt Maani jõudvate footonite energiat ja muundavad need elektriliseks energiaks. Päikeseelementides, mida Scully analüüsis, tekitab pooljuhti tabav footon vaba elektroni ning “augu,” mis üritab meeleheitlikult uut elektroni leida. Ideaalis suunatakse vabad elektronid kindlale rajale, mis tekitab elektrivoolu. Mõnikord kukub elektron aga tagasi “auku” ja kiirgab energiat kulutavas protsessis nimega kiirguslik ümberjaotamine footoni.
Sellest energiakaotusest saab aga Scully sõnade kohaselt mööda hiilida. Oma 21. mail Physical Review Letters ilmunud artiklis tutvustab Scully viisi, kuidas footonit saab intuitsiooniga vastuolus oleva nähtuse abil lahkumast hoida. Kvantkoherentsis on aatomid korraga kahes energeetilises olekus ning saavad üksteisega interferereeruda.Sellist hägust koherentsi saab fotoelektrilises elemendis kutsuda esile mikrolaine kiirgusega, mis vähendab võimalusi, et elektron leiaks augu, enne kui tema tööd saaks kasutusele võtta.
Antud viis ei lähe aga termodünaamika seadustega vastuollu, kuna kvantkoherentsi tekitamine neelab ise energiat. “Asi on selles, et ta ei võtnud arvesse, kui palju sellise koherentsi tekitamine ise energiat kulutab,” väitis Luk.
Mikrolainevälja tekitamine kärbib protsessi kogu efektiivsust, ent Scully sõnul on tal ideid, kuidas koherentsi ilma selleta esile kutsuda·: ” Meie rõõmuks eksisteerivad stsenaariumid, mis ei nõua lisaenergiat kulutava välja tekitamist.”
Samuti rõhutab Scully, et kvantkontrollmehanismide lisamine praegustele päikeseelementidele ei olnud ta originaalkavatsus. Enamik tänaseid päikesepatareide efektiivsus jääb 20·% lähedusse. Uus uurimustöö võib viia praktiliste rakendusteni, ent hetkeni, mil need vajalikuks osutuvad, on veel pikk tee käia, ütles Scully.
Allikas:
Science News: “Quantum photocells might cheat efficiency limits.”