Теория Дарвина поможет повысить КПД солнечных панелей

Тонкопленочные солнечные батареи на органических полимерах превосходят традиционные аналоги в плане дешевизны и широкого спектра методов применения, но они пока не смогли приблизиться к фотоэлектрическим ячейкам из кристаллического кремния в плане эффективности.

Попытки оптимизировать структуру органических фотоэлектрических элементов путем изменения толщины полимерных слоев завершились неоднозначными результатами. Ведущие ученые пошли по другому пути: если фотоны света могут быть захвачены внутри слоя полимера на достаточно продолжительное время, несколько из них могут быть преобразованы в дополнительную энергию. Американские исследователи из Северо-Западного университета решили вдохновляться эволюцией, чтобы установить новый рекорд в области продолжительности захвата света.

Чтобы добиться оптимальной структуры слоев рассеяния, они стали анализировать различные материалы, поверхность которых состоит из геометрических фигур, используя метод проб и ошибок. Но нахождение оптимального решения при помощи такого метода предполагает необходимость учитывать эффекты отражения и взаимной дифракции в разрезе нескольких слоев различных материалов, что очень трудоемко. Поэтому ученые решили сузить поиск, обратившись за помощью к Чарльзу Дарвину, а точнее к его закону естественного отбора.

Исследователи создали математический алгоритм, основанный на законе естественного отбора (теория Дарвина), который гласит, что случайные мутации и случайные скрещивания генов могут привести к превосходным результатам, позволяя животным получить новые возможности в области выживания и размножения. При этом гены с низким уровнем полезности не выживают.

Математический алгоритм работает аналогично: для расчета относительной эффективности рассеяния в сравнении с желаемым эффектом применяется набор правил. Затем модели с лучшими результатами объединяются или мутируют, чтобы создать модели рассеяния "нового поколения". К настоящему моменту команда добилась эффекта захвата света, который в три раза лучше, чем максимальное теоретическое предельное время, в течение которого фотон может задерживаться в полупроводнике (т.н. предел Яблоновича; был открыт в 1982 году).

Как такое возможно? Все связано с тем, что предел Яблоновича относится к свету, попадающему на слои полупроводника, которые являются слишком толстыми по сравнению с длиной волны света. При этом новые материалы могут быть гораздо тоньше, чем длина волны солнечного света. Предсказать время начала практического применения такой технологии трудно, так как модификация структуры фотоэлектрической ячейки усложняет процесс ее изготовления, а вместе с этим растет и цена солнечных батарей.