Горячий солнечный элемент

Весной этого года команда исследователей из MIT (Massachusetts Institute of Technology) впервые продемонстрировала устройство на основе метода, который позволяет преодолеть теоретически предсказанный для солнечных батарей потолок: количество солнечного света, которое они могут преобразовать в электричество.

Начиная с 1961 было известно, что существует абсолютный теоретический предел энергетической конверсии для традиционных солнечных элементов, называемый пределом Шокли—Квейссера (Shockley—Queisser). Для однослойной ячейки из кремния, используемого для подавляющего большинства современных солнечных панелей, верхний предел составляет около 32%. Также было известно, что существуют некоторые возможности, позволяющие увеличить эту общую эффективность, например, с помощью нескольких слоев ячеек,— метод, который в настоящее время широко изучается, или путем преобразования тепла солнечных фотонов в электричество. Это последний метод, используют устройства, известные как солнечные термофотоэлектрики или STPV, что в настоящее время продемонстрировала команда из MIT.

Полученные результаты представлены в журнале Nature Energy, в работе докторанта David Bierman, профессоров Evelyn Wang, Marin Soljačić и других четырёх учёных.

В то время как все исследования традиционных фотоэлементов сталкиваются с теми же основными теоретическими ограничениями, David Bierman говорит: «с солнечными термофотоэлектриками у вас есть возможность превзойти это». На самом деле, теория предсказывает, что в принципе этот метод, который включает в себя спаривание обычных солнечных элементов с добавленными слоями высокотехнологичных материалов, может более чем в два раза поднять теоретический предел эффективности, что потенциально делает возможным доставлять в два раза больше мощности от данной площади панелей.

«Мы считаем, что эта новая работа является захватывающим продвижением в этой области», говорит Evelyn Wang, «как мы впервые показали, STPV устройство имеет более высокую эффективность солнечно-электрического преобразования по сравнению с базовым фотоэлементом».

В эксперименте учёные использовали относительно низкую эффективность фотоэлементов, так что общая эффективность системы была только 6,8%, но они ясно показали в прямых сопоставлениях улучшения, добавленые системой STPV.

Основной принцип прост: Вместо того, чтобы рассеивать непригодную солнечную энергию в виде тепла в солнечной батарее, вся энергия и тепло сначала поглощаются промежуточным компонентом, до температур, которые позволили бы компоненту начать излучать фотоны. Регулируя материалы и конфигурации этих добавленных слоев, можно излучать фотоны только в виде правильных длин волн света для захвата солнечными батареями. Это повышает эффективность и уменьшает тепло, генерируемое в солнечном элементе.

Экспериментальный термофотоэлектрик

Экспериментальный термофотоэлектрик

Ключ в использовании высокотехнологичных материалов, называемых нанофотонные кристаллы, которые могут быть сделаны специально, чтобы излучать точно определенные длины волн света при нагревании. В данном исследовании нанофотонные кристаллы объединены в систему с вертикально ориентированными углеродными нанотрубками и работают при высокой температуре 1000^oC. После нагрева нанофотонные кристаллы продолжают излучать узкую полосу длин волн света точно соответствующих длинам волн, которые могут захватить и преобразовать в электрический ток соседние фотоэлементы. «Углеродные нанотрубки практически идеальный поглотитель по всему цветовому спектру», говорит David Bierman, что позволяет ему охватить весь солнечный спектр. «Вся энергия фотонов преобразуется в тепло». Затем это вновь образованное тепло излучается в виде света, но, благодаря нанофотонной структуре, преобразуется только в те цвета, которые соответствуют максимальной эффективности фотоэлектрической ячейки.

В процессе работы, этот подход будет использовать обычную систему собирающих линз или зеркал, фокусирующих солнечный свет, чтобы поддерживать высокую температуру. Дополнительный компонент, улучшенный оптический фильтр, пропускающий все желаемые длины волн света в фотоячейки, отражая обратно любые нежелательные длины волн, так как даже этот улучшенный материал не является совершенным в ограничении выбросов. Отраженные длины волны затем повторно поглощаются, помогая поддерживать высокую температуру фотонного кристалла.

Нанофотонные нанотрубки

David Bierman говорит, что такая система может предложить целый ряд преимуществ по сравнению с обычными фотовольтаиками, будь то на основе кремния или других материалов. Тот факт, что фотонное устройство производит эмиссию на основе тепла, а не света означает, что это не затрагивает краткие изменения в окружающей среде такие, как облака, проходящие перед солнцем. В принципе, в сочетании с системой «тепловой кладовой» она может обеспечить использование солнечной энергетики на круглосуточно основе. «Для меня самым большим преимуществом является обещание непрерывной мощности по требованию», говорит David Bierman.

Система использует энергию, которая в противном случае теряется в виде тепла. В дополнение к этому она уменьшит чрезмерное выделение тепла, которое может привести к повреждению некоторых концентрирующих солнечных систем.

Для того чтобы доказать, что метод работает, учёные проводили тесты с использованием фотоэлектрических элементов с компонентами STPV сначала под прямыми солнечными лучами, а затем с полностью блокированным солнцем. Так что только вторичные эмиссии света из фотонного кристалла освещали фотоячейки. Результаты показали, что они полностью соответствовали прогнозированным улучшениям.

«Множество работ в этой области являются доказательством правильности выбранной нами концепции», говорит David Bierman. «Это первый раз, когда мы на самом деле положить что-то между Солнцем и фотоячейкой, чтобы доказать эффективность тепловой системы». Даже с этой относительно простой ранней стадии эксперимента, говорит David Bierman, «мы показали, что только с нашей собственной неоптимизированном геометрии, на самом деле можно было бы преодолеть ограничение Шокли—Квейссера». В принципе, такая система может достичь КПД выше, чем у идеального солнечного элемента.

Следующие шаги включают в себя поиск путей, чтобы сделать большие версии небольшой, лабораторного масштаба экспериментальной установки, а также разработка способов изготовления таких систем в экономическом плане.

Это представляет собой «значительный экспериментальный шаг вперед», говорит Peter Bermel, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники в Университете Пердью (Purdue University), который не был связан с этой работой. «Насколько мне известно, это новый рекорд для солнечных термофотоэлектриков. С использованием солнечного имитатора, селективного абсорбера, селективного фильтра и фотоэлектрического приемника дано разумное представление о реальной производительности, которая может быть достижима на открытом воздухе». Он добавляет: «Это также показывает, что солнечные термофотоэлектрики могут превысить выработку фотоэлектриков при прямом сравнении одних и тех же фотоячеек, при достаточно высокой входной удельной мощности, предоставляя этот подход к приложениям с использованием концентрированного солнечного света».