Современные солнечные панели имеют плоский вид, и на это есть веская причина: отсутствие неровностей максимально увеличивает площадь поверхности, подвергающейся воздействию солнечного света в дневное время, независимо от того, где находится Солнце на небе. Однако выяснилось, что тщательно подобранные поверхностные текстуры нужной формы и размера могут повысить эффективность солнечных батарей на две трети. Теоретическое исследование, проведенное в Турции, показало, что маленькие выпуклости, подобные шрифту Брайля, позволят свету проникать в солнечные элементы с более широкого диапазона направлений, обеспечивая максимальный прирост в 66%.
Профессор Дуйонг Хах (Dooyoung Hah), доцент кафедры электротехники в Университете имени Абдуллы Гюля, провел независимые эксперименты с текстурами солнечных батарей с помощью трехмерного анализа методом конечных элементов (3D FEA). Этот вычислительный метод позволяет ученым разбивать сложные системы на независимые части, называемые «конечными элементами», которые затем можно подвергнуть стресс-тестированию практически в любой мыслимой ситуации. Используя метод 3D FEA, Хах разделил теоретическую солнечную батарею на отдельные части, а затем изучил, как элементы реагируют на свет с текстурированной и гладкой поверхностью.
Иллюстрация, показывающая полусферические выступы в форме пузырьков на солнечной батарее. Автор: Хах, Journal Of Photonics For Energy
Согласно статье, опубликованной в Journal of Photonics for Energy, Хах обнаружил, что солнечные батареи с полусферическими выпуклостями-оболочками могут улавливать свет с более широкого диапазона направлений по сравнению с плоскими ячейками. Это позволило текстурированным ячейкам поглощать на 66% больше света поперечной электрической (TE) поляризации, чем их обычные аналоги. При воздействии поперечно-магнитного (ТМ)-поляризованного света текстурированные ячейки были на 36% более эффективными, чем плоские. Обе категории света актуальны для солнечных батарей, поскольку солнечный свет часто становится поляризованным после рассеяния в атмосфере Земли.
Это открытие назревало несколько лет. В 2020 году Хах провел аналогичный эксперимент с полуцилиндрическими выступами в форме ракушек, которые увеличили поглощение ячейками (ТЕ)-поляризованного света на 52% по сравнению с плоской структурой. Два года спустя Ха попробовал полукруглые и треугольные выступы, которые увеличили поглощение (TE)-поляризованного света на 60% и 63% соответственно. Ха отметил, что в обоих случаях текстурированные солнечные элементы были особенно полезны, когда их можно было нанести на круглые объекты. Поскольку клетки изогнуты внутрь, выступы не затеняют друг друга, обеспечивая максимальную освещенность.
Хах еще не разработал физическую версию своей самой эффективной текстурированной солнечной батареи. Хотя 3D FEA может с удивительной точностью отобразить сильные и слабые стороны реальной жизни, вполне возможно, что физическая солнечная батарея выявит недостатки, которые не видны при вычислительном анализе. Потребуются дополнительные эксперименты, чтобы понять, смогут ли выпуклые солнечные батареи увеличить мощность станций по производству возобновляемой энергии и предоставят ли домовладельцам возможность накапливать избыточную солнечную энергию в невиданных масштабах, но текущие результаты Дуйонга Хаха являются обнадеживающими.