07.12.2016
Ассистенту профессора в Университете Калифорнии Riverside не так давно удалось соединить фотосинтез и физику, чтобы сделать ключевое открытие, которое возможно, поможет сделать солнечные батареи более эффективными. Полученные результаты исследования были недавно опубликованы в журнале Nano Letters.
Натан Габор работал в сфере экспериментальной физики, используя свет, чтобы исследовать фундаментальные законы квантовой механики. Задумываясь о фотосинтезе, он задал себе вопрос – почему растения зеленые? Последующие шесть лет он сочетал свою работу, как физика, с глубоким изучением биологии. Целью его было изобретение нового материала для солнечных батарей, материала, который сможет поглощать энергию солнца более эффективно. Растения умеют делать это лучше всех на земле.
Натан Габор и несколько других физиков из Университета Riverside пытаются решить эту проблему, разрабатывая новый тип квантового фотоэлемента теплового двигателя, который поможет управлять потоком энергии в солнечных элементах. Конструкция его включает в себя тепловой двигатель фотоэлемента, который будет поглощать фотоны от солнца и превращать энергию фотонов в электричество.
Что удивительно - исследователи обнаружили, что квантовый двигатель тепла умеет регулировать преобразование солнечной энергии, не применяя адаптивных механизмов контроля. В традиционной технологии в системах, которые применяют сейчас солнечные электростанции, колебания солнечной энергии должны задерживаться посредством преобразователей напряжения и контроллеров обратной связи, а это существенно снижает их общую эффективность.
Целью команды Университета Riverside было спроектировать простейший фотоэлемент, который будет задерживать солнечную энергию в максимальном объеме, близком к средней потребляемой мощности и подавлять колебания энергии, дабы избежать накопления избыточной энергии.
Работая, исследователи сравнили две простейшие квантово-механические системы фотоэлементов: в одной фотоэлемент поглощает лишь один цвет света, в другой же фотоэлемент поглощает сразу два цвета. Путем простого включения двух фотонных поглощающих канала они нашли метод, позволяющий регулировать потоки энергии, которая естественным образом возникает в фотоэлементах.
Основной принцип работы состоит в том, что один канал поглощает энергию на той длине волны, для которой средняя мощность входного сигнала слишком высока, при этом другой поглощает при низкой мощности. Фотоэлемент переключается между высокой и низкой мощностью, чтобы преобразовать различные уровни солнечной энергии в их устойчивое состояние.
Когда команда Габора применила эти простые модели к разным типам солнечного спектра на поверхности Земли, она обнаружила, что поглощение зеленого света, самой лучистой части спектра на единицу длины волны, не обеспечивает нормативную выгоду и поэтому его вообще следует избегать. Ученые систематически оптимизировали параметры фотоэлементов для уменьшения колебаний энергии, и обнаружили, что спектр поглощения выглядит почти идентично спектру поглощения, наблюдаемого в фотосинтезе зеленых растений.
Полученные данные заставили исследователей предположить, что естественное регулирование энергии может играть решающую роль в процессе фотосинтеза в растениях. Другие исследователи недавно обнаружили, что отдельные молекулярные структуры в растениях могут иметь решающее значение в предотвращении накопления в них избыточной энергии.
Исследователи Riverside Университета открыли, что молекулярная структура квантового теплового двигателя фотоэлемента очень похожа на структуру фотосинтетических молекул, включающих пары молекул хлорофилла.
Гипотеза эта уже была подтверждена Габором и его командой, и она является первой идеей использования квантовой механической структуры зеленых растений. Не менее важно, что именно такая конструкция позволяет регулировать процессы поглощения энергии за счет квантово-механической конструкции фотоэлементов.