Новый солнечный элемент преобразует не только свет, но и тепло в полезную энергию, что позволит удвоить количество электроэнергии, вырабатываемой солнечными батареями.
Солнце обеспечивает нашу планету светом и теплом. Человек уже давно научился использовать его свет для получения электричества при помощи солнечных батарей, но как же быть с теплом? Нельзя ли каким-то способом преобразовать солнечное тепло в полезную энергию?
Ещё с 1961 года считалось, что есть абсолютный теоретический предел, известный как предел Шокли-Квайссера, который ограничивает эффективность преобразования солнечной энергии элементами традиционной конструкции. Для одноcлойных солнечных ячеек из кремния, которые сегодня используются в подавляющем большинстве панелей, максимальный КПД составляет порядка 32%. Сегодня науке известны способы, которые позволили бы обойти этот предел и повысить общую эффективность преобразования. В их числе хорошо изученный метод создания многослойных элементов, использование оптических фильтров, а также способ предварительного преобразования солнечного света в тепло, и лишь потом — в электроэнергию.
Учёные из Массачусетского технологического института пошли по второму пути. В статье, опубликованной в журнале Nature Energy, исследователи описывают постройку полностью работоспособного солнечного термофотогенератора (STPV). В солнечном элементе STPV присутствует дополнительный слой, поглощающий тепло и свет из солнечного света и отражающий их обратно в форме света, который затем улавливается солнечным элементом и преобразуется в электроэнергию.
Свет, излучаемый этим устройством, точно откалиброван под такую длину волны, чтобы солнечный элемент работал с максимальной эффективностью. Для этого используются специальные нанофотонные кристаллы, которые могут быть изготовлены таким образом, чтобы при нагреве излучать свет с точной длиной волны. В обычном случае солнечная батарея или фотогенератор просто преобразует свет в электроэнергию без промежуточной ступени с нагреванием.
В опытах, проведённых в МТИ, нанофотонные кристаллы были встроены в систему с вертикально выровненными углеродными нанотрубками, где они нагревались до внушительной температуры в 1000 °C. Нагревшись, нанофобные кристаллы начинают излучать свет в узком диапазоне, который в точности соответствует тому, что способен поглотить фотогенератор для выработки электроэнергии.
По словам одного из авторов работы, аспиранта МТИ Дэвида Бирмана, углеродные нанотрубки — это почти идеальный поглотитель всего солнечного спектра, то есть благодаря им вся энергия фотонов преобразуется в тепло. Затем это тепло вновь преобразуется в свет, но благодаря нанофотонной структуре, в световые волны только той длины, которые обеспечивают максимальную эффективность работы фотогенератора. Такая технология теоретически позволяет удвоить количество энергии, производимой солнечной батареей той же площади.
Чтобы доказать работоспособность методики, учёные провели ряд опытов с использованием фотоэлектрического элемента и термофотогенератора STPV — сначала под прямым солнечным светом, а затем с полной блокировкой солнца, чтобы фотоэлемент освещался исключительно за счёт вторичного излучения от фотонных кристаллов. Полученные результаты подтвердили, что реальная производительность соответствует проведённым расчётам.
Новая методика может быть использована в уже существующих заводах концентрированной солнечной энергии, в которых системы линз и зеркал будут фокусировать солнечный свет для получения высоких температур. Дополнительным компонентом такой установки может стать оптический фильтр, пропускающий свет с нужной длиной волны на солнечный элемент и отражающий назад волны другой длины, которые будут вновь поглощаться углеродными нанотрубками и поддерживать температуру фотонных кристаллов.
Авторы исследования считают, что предлагаемая ими система имеет массу преимуществ перед традиционной фотоэнергетикой, в которой применяется кремний и другие материалы. Прежде всего, устройство, вырабатывающее световые волны с помощью тепла, меньше зависит от погодных условий — например, от облаков, закрывающих солнце. Если объединить его с системой хранения тепла, то можно использовать солнечную энергию для выработки электричества вне зависимости от времени суток. Кроме того, поскольку система использует тепловую энергию, она позволяет снизить избыточную выработку тепла, которое может повредить некоторым системам концентрации солнечной энергии.
К сожалению, в ближайшем будущем мы не увидим на соседней крыше солнечные панели на основе термофотогенераторов: учёные всё ещё работают над тем, как перенести эту технологию из лаборатории в реальный мир.
