Фотовольтаика в сравнении

Фотовольтаика — самая успешная техника получения электричества из окружения. Она же и естественная мерка для сравнения с нейтриновольтаикой — а сравнение стоит того, потому что показывает, чем оба подхода действительно различаются.

Как работает солнечный элемент

Фотон попадает на кремний и перебрасывает там электрон через запрещённую зону в 1,12 электронвольта. Встроенное электрическое поле у p-n-перехода разделяет электрон и остающееся дефектное место, прежде чем оба вновь найдут друг друга. Разделённый таким образом носитель заряда утекает в виде тока.

Процесс есть поверхность — он происходит на поверхности, в слое толщиной в несколько микрометров.

Пределы известны

Примечательно в фотовольтаике то, насколько точно вычислены её верхние пределы. Уильям Шокли и Ханс-Иоахим Квайсер вывели в 1961 году, что простой элемент может использовать самое большее около 33 процентов солнечного света.

Причина лежит в спектре. Фотоны со слишком малой энергией не перебираются через запрещённую зону и пропадают. Фотоны со слишком большой энергией отдают избыток в виде тепла. Подходит лишь часть света.

Нынешние кремниевые элементы достигают в лаборатории почти 27 процентов, модули в поле — примерно от 20 до 23. Стало быть, техника близка к своему теоретическому пределу, и это признак зрелости. Дальше можно продвинуться только с помощью составленных друг на друга элементов для разных спектральных областей, например кремния с перовскитом.

Одно свойство, которое определяет всё

Фотовольтаике нужен свет. Ночью она не даёт ничего, и это не техническая недоработка, а определение метода.

В Германии из этого получается коэффициент использования около одиннадцати процентов за год: установка даёт в среднем девятую часть того, что могла бы при полной нагрузке. Остальное — ночь, облако, зима.

Именно здесь начинают все методы сбора энергии, которые не зависят от света.

Различие в подходе

Основное уравнение нейтриновольтаики интегрирует по объёму, а не по поверхности. Это и есть собственно различие, и у него три следствия:

Выработка должна расти с числом слоёв, а не с освещённой поверхностью. Патент WO2016142056A1 заявляет от десяти до двадцати чередующихся слоёв из графена и кремния, в частности двенадцать.

Ориентация отпадает. Солнечная установка должна смотреть на юг и стоять по возможности наклонно. Детали, которая откликается на потоки, падающие со всех сторон, ориентация не нужна.

Суточный цикл отпадает. Названные входные каналы, по изложению группы, имеются круглые сутки.

Что отсюда можно честно вывести

Оба метода — не конкуренты за одно и то же место. Они нацелены на разные положения.

Фотовольтаика подтверждена, испытана в миллиардах модулей, промышленно зрела и непревзойдённо дёшева там, где светит солнце и есть площадь. У кого есть крыша, тому не нужна альтернатива.

Нейтриновольтаика нацелена на противоположное: ни света, ни площади, ни ориентации. Подвал, внутренность прибора, место в полярной ночи. Группа прямо заявляет свои начинания как находящиеся в разработке и обозначает названные показатели мощности как проектные цели.

Тем самым сравнение — не столько состязание, сколько разделение: фотовольтаика показала, что энергию окружения можно использовать в большом масштабе. Вопрос нейтриновольтаики гласит, удастся ли это и там, куда не попадает свет.

Родственные понятия

• Кремний — общий материал
• Основное уравнение — почему объём, а не поверхность
• Сбор энергии — вышестоящая область
• Термофотовольтаика — свет из тепла

Источники

• W. Shockley, H. J. Queisser: Detailed Balance Limit of Efficiency of p-n Junction Solar Cells, Journal of Applied Physics 32, 510 (1961).
• Fraunhofer ISE: Photovoltaics Report — КПД и показатели выработки.