Специалисты из Массачусетского технологического института показали, что трёхмерные структуры из солнечных ячеек за день могут выработать в два, а то и в двадцать раз больше энергии, чем плоские батареи, занимающие на земле или крыше равную площадь.

Исследователи построили три опытных варианта так называемой трёхмерной фотовольтаики (3DPV). Первая батарея представляет собой открытый сверху куб (фото 1 под заголовком), все наружные и внутренние стороны которого (включая дно) являются фотоэлектрическими преобразователями. Куб сделан из девяти кремниевых солнечных ячеек размером 3 х 3 сантиметра каждая.

Вторая модель – параллепипед удвоенной (против куба) высоты (фото 2). Он собран из 17 солнечных панелей.

Третий вариант пространственной структуры авторы назвали «башней» (фото 3). Она состоит из 34 аналогичных ячеек, сложенных зигзагом. Здесь тоже солнечные батареи находятся и с наружной, и с внутренней стороны стен.

Рис. 1. Данные по опыту, проведённому в
июне, в солнечную погоду. По горизонтали –
время суток, по вертикали – выходная мощность
в милливаттах. Показано сравнение плоской панели
(тёмно-синяя кривая – уличный эксперимент,
голубая — симуляция) и открытого куба (красная
линия – эксперимент, оранжевая — симуляция).
Общая выработка энергии за день у куба
оказалась почти вдвое выше (иллюстрация
Marco Bernardi et al.).

Учёные выставляли образцы на крышу института в течение многих дней летом и поздней осенью. Помимо прямых измерений производства энергии было выполнено и численное моделирование.

Так экспериментаторы установили, что скульптуры способны вырабатывать в разы больше электричества, чем неподвижная горизонтальная солнечная панель, под которую отведена та же площадь на участке.

Например, для самого простого куба (из девяти панелек) прогнозируемый рост годовой производительности составляет от 2 до 3,8 раза (превосходство принципа 3D увеличивается ещё и по мере роста географической широты местности).

Для сравнения, добавление к традиционной плоской панели двухосевой системы слежения за солнцем увеличивает её выработку всего в 1,3–1,8 раза.

Рис. 2. Разница (число раз) в производительности куба по сравнению с плоской ячейкой с той же площадью основания в зависимости от географической широты (иллюстрация Marco Bernardi et al.).

Важно отметить, что везде речь идёт именно о следе, то есть площади основания, которую занимает установка, а не о суммарной площади фотоэлектрических панелей. Очевидно, развивая структуру вверх, общую поверхность можно существенно нарастить. Но интересно, что в подъёме производительности большую роль сыграли и другие факторы.

Первый из них — многократное отражение света между элементами устройства. Свет этот, в конце концов, поглощается одной из панелей, словно тонет в колодце.

Ранее для захвата возможно большей доли света учёные создавали микротекстуры в толще панелей (микросферы, микроколонны и так далее). Но тот же принцип лабиринта работает и в большем масштабе.

Второй фактор, повествует Technology Review, это улучшенное поглощение лучей солнца, находящегося низко над горизонтом.

Неподвижная плоская солнечная панель выдаёт максимум мощности, только когда смотрит прямо на светило. Утром и вечером она почти бесполезна. А трёхмерная фотовольтаика и в эти часы хорошо перерабатывает солнечный свет.

Рис. 3. Данные по опыту, проведённому
в ноябре, в разных погодных условиях. По
горизонтали (слева направо): плоская панель,
куб, параллелепипед и башня. По вертикали
отмерено превышение дневной выработки
энергии трёхмерными структурами в сравнении
с плоской панелью. Синим цветом отмечены
параметры при чистом небе, красным – при
частичной облачности, чёрным – при сильной
облачности (иллюстрация Marco Bernardi et al.).

Аналогично преимущество новой схемы раскрывается в облачную погоду, особенно при сплошной пелене облаков.

Конечно, последние задерживают много света, так что мощность любой батареи существенно падает. Но 3D-панели за счёт ориентации элементов под разными углами и эффекта лабиринта намного лучше обычной ячейки собирают рассеянный свет.

Потому при сильной облачности в выработке электричества башней и одиночной плоской панелью наблюдается 35-кратная разница. Хотя в ясную погоду эта же башня выдаёт за день только в 21–22 раза больше электричества, нежели простая батарея.

Та же мысль насчёт продуктивного сбора энергии в утренние и вечерние часы (а также зимой и летом, без необходимости в повороте самих панелей по горизонтали или вертикали) приходила, к слову, создателям цилиндрических солнечных батарей и солнечного дерева.

По мнению авторов нового проекта, повышенная стоимость таких систем может быть оправдана увеличением суммарной выработки электричества за год с каждого квадратного метра крыши того или иного здания.

Подробности всех опытов с трёхмерными батареями можно найти в статье на arXiv.org.