Команда исследователей из MIT (Massachusetts Institute of Technology) впервые продемонстрировала устройство позволяющее преодолеть теоретический предел КПД фотоэлектрического преобразования для солнечных батарей.
Абсолютный теоретический предел преобразования энергии света в электрическую энергию, называемый пределом Шокли-Квейссера (Shockley-Queisser), для однослойной ячейки из кремния составляет около 32%. Один из методов общего повышения эффективности этого преобразования – использование тепла солнечных фотонов в электричество. Этот метод используют т.н. солнечные термофотоэлектрики или STPV, что в настоящее время и применила команда из MIT.
Группа исследователей из MIT продемонстрировала свои последние результаты в этой области, показывающие, как можно преодолеть теоретические ограничения и добиться выхода электроэнергии с солнечной панели почти вдвое больше теоретического ограничения.
Основной принцип прост: вместо того, чтобы рассеивать в солнечной батарее непригодную солнечную энергию в виде тепла, вся энергия и тепло сначала поглощаются промежуточным компонентом до температур, которые позволили бы ему начать излучать фотоны. Подобрав материалы и топологию этих добавленных слоев, можно излучать фотоны света с только определенной, «правильной» длиной волны, которые затем поглощаются солнечными батареями и преобразуются в электричество. Это повышает эффективность и уменьшает тепло, эмитируемое солнечной панелью. 
Рис. Нанофотонные нанотрубки
Ключевым элементом здесь выступают т.н. «нанофотонные кристаллы», которые при нагревании излучают свет с совершенно определенной длиной волны. 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 представляют собой практически идеальный поглотитель световых волн во всем цветовом спектре солнечного света. Затем полученное тепло снова излучается в виде света, но, благодаря нанофотонной структуре, преобразуется только в свет того цвета, которые соответствует максимальной эффективности данной фотоэлектрической ячейки.
Чтобы использовать этот подход и поддерживать высокую температуру фотонного кристалла, необходима также система собирающих линз или зеркал, фокусирующих солнечный свет.
Такая система может предложить целый ряд преимуществ по сравнению с обычными фотоэлектрическими преобразователями – фактически это поглощающее устройство вбирает именно тепловую энергию, то есть нечувствительно к таким факторам, как облачность. Кроме того, такая система может поглощать тепло от любого источника, а не только от Солнца, поэтому такие элементы могут работать круглосуточно, фокусируя на себе энергию от теплового аккумулятора или другого теплогенератора. Фактически, система использует энергию, которая обычно теряется в виде тепла, и уменьшает чрезмерное выделение тепла, которые могут повреждать концентраторы солнечной энергии.
Система преобразует солнечное тепло в пригодный для использования свет, повышая общую эффективность PV-устройства. Такая система может достичь КПД выше, чем у «идеального» солнечного элемента. Исследователи из MIT доказали, что, если использовать фотонные нанотрубки в сочетании с концентрированным солнечным светом, то солнечные термофотоэлектрики могут почти вдвое превысить теоретический предел электрической отдачи от фотоэлектриков при прямом сравнении одних и тех же солнечных ячеек.
Більше важливих статей і новин в Telegram-каналі та корисні відео на Youtube-каналі та у TikTok. Долучайтесь!
Переглянуто: 2 797 / 2016-11-14 10:08:26
