Физики из MIT разработали способ использования тепла для увеличения эффективности солнечных батарей

Особая нанофотонная термофотоэлектрическая солнечная батарея преобразует инфракрасный спектр света в тепло, а затем превращает его в электрический ток. Эффективность данных солнечных батарей крайне низка, однако ученые надеются, что им удастся достичь КПД в 20% для коммерциализации технологии.

В научном журнале Nature Nanotechnology появилась статья аспиранта Андрея Ленерта под редакцией профессора Эвелин Вонг и ее коллег из Массачусетского технологического института (США) о новой разработке в сфере солнечной энергетики.

Стандартные кремниевые фотоэлементы способны извлекать энергию только из определенной части спектра фотонов света. Это связано с самим процессом, проходящим внутри так называемой «запрещенной зоны» , где фотоны «выбивают» электроны из кремния. Данная особенность ставит предел (предел Шокли-Квайссера) для КПД солнечных батарей на уровне в 33,7%. Однако, термофотоэлектрические системы (STPV) могут обеспечить способ обойти предел эффективности преобразования энергии на полупроводниковой основе в фотоэлектрических устройствах и обеспечить 80% эффективность.

Предыдущие эксперименты заканчивались «провалом», т.к. эффективность STPV не превышала 1%. Разработка команды Эвелин Вонг достигла КПД в 3,2%, а в выводах говорится и о реальности достижения 20% эффективности, для возможности коммерциализации технологии.

Этого удалось достичь благодаря использованию двухслойного поглотителя-эмиттера: внешний слой, на который попадает солнечный свет, состоит из углеродных нанотрубок и «одномерных» фотонных кристаллов из смеси кремния и его оксида. Этот слой прилегает к фотонному кристаллу, сконструированному таким образом, что при нагреве прилегающим слоем нанотрубок он «светится» с пиковой интенсивностью света, большей частью выше «запрещенной зоны» фотоэлемента. Таким образом большая часть энергии, собранной в абсорбер, превращается в электроэнергию.

В своих экспериментах исследователи использовали имитацию солнечного света и было обнаружено, что максимальная эффективность системы достигнута при 750-кратной концентрации солнечного света, который нагрел абсорбер-излучатель до температуры 962 градусов по Цельсию. Дальнейшие разработки будут направлены на снижение требуемого уровня концентрации, что упростит возможность эксплуатации системы в полевых условиях.