Солнечная энергия без солнечных элементов: открыто новое свойство излучения
Исследователи из Мичиганского университета (США) открыли неожиданное свойство света, на основе которого могут появиться «оптические батареи» — солнечные элементы без полупроводников.
«Вы можете весь день заниматься уравнениями движения, но так и не заметить эту возможность, — говорит ведущий автор исследования Стивен Рэнд. — Нас всех так учили. Это очень странное взаимодействие. Именно поэтому физики до сих пор не могли его увидеть».
Солнечная ферма в датской... наверное, всё-таки глубинке (фото Erik Christensen).
Излучение обладает электрической и магнитной составляющими. Считалось, что воздействие магнитного поля излучения настолько слабо, что им можно пренебречь. Г-н Рэнд и его коллеги обнаружили, что при должной интенсивности, когда свет проходит через материал, не проводящий электричество, световое поле способно создавать магнитное воздействие, которое в 100 млн раз сильнее, чем предсказывалось ранее. В этих условиях магнитное воздействие по своей силе эквивалентно электрическому.
«В нынешних фотогальванических элементах свет проникает в материал, поглощается и производит тепло, — рассказывает г-н Рэнд. — Здесь мы ожидаем получить очень низкую тепловую нагрузку. Энергия запасается в магнитном моменте, а не в поглощаемом свете. Интенсивную магнетизацию можно вызвать интенсивным излучением, после чего она становится чрезвычайно вместительным источником энергии».
Это становится возможным благодаря новооткрытой разновидности электрооптической поляризации (или оптического выпрямления, optical rectification), отмечает соавтор исследования Уильям Фишер. В обычных условиях электрическое поле излучения является причиной разделения положительного и отрицательного зарядов в материале. В результате возникает разность потенциалов, аналогичная той, что существует в батарее. Ранее данный эффект был зарегистрирован только в кристаллических материалах, обладавших определённой симметрией.
Рэнг и Фишер обнаружили, что при надлежащих условиях магнитное поле излучения способно создавать оптическое выпрямление и в других материалах. «Судя по всему, это магнитное поле начинает искривлять электроны С-образно, и каждый раз они немного продвигаются вперёд, — рассказывает г-н Фишер. — C-образное движение заряда приводит к формированию и электрического, и магнитного диполя. Если нам удастся создать из этого длинный ряд, мы сможем получить огромное напряжение и, соответственно, источник энергии».
Пропускать свет можно через стекло: оно не проводит электричество. Свет необходимо сфокусировать до интенсивности 10 МВт/см². Солнечного света для этого недостаточно, поэтому ведётся поиск новых материалов, которые дадут искомый эффект при более низкой интенсивности. «Мы показали, что некогерентное излучение — например, солнечный свет — теоретически обладает почти той же способностью разделять заряды, что и лазер», — подчёркивает Уильям Фишер.
Новая технология может привести к появлению дешёвых солнечных элементов. Исследователи предсказывают: если найдутся более подходящие материалы, эффективность преобразования энергии солнца в удобоваримую форму составит 10%, что сопоставимо с показателями сегодняшних панелей.
«Для производства современных солнечных ячеек требуется особая обработка полупроводниковых материалов, — говорит г-н Фишер. — А нам нужны всего лишь линзы для фокусировки света и волокно для его направления. Стекло подходит и для того и для другого. Оно уже производится в огромных объёмах и не требует сложной обработки. Прозрачная керамика может оказаться ещё лучше».
