Создать солнечные батареи, которые одинаково хорошо преобразовывают тепло и свет в энергию очень сложно. Эффективность большинства прототипов данного типа не превышает 1%. Однако предел эффективности солнечных батарей, возможно, в скором времени удастся преодолеть благодаря исследователям из Массачусетского технологического института (MIT), которые придумали новый способ использования солнечного излучения для получения электричества.
Новый подход, предложенный исследователями MIT, предусматривает применение специального материала, который после контакта с солнечными лучами нагревается и превращается в достаточно эффективный источник инфракрасного излучения, и фотогальванического элемента, выполняющего функции регистратора этого «теплового» излучения. По словам исследователей, разработанная ими технология не только повышает эффективность солнечных батарей, но и может упростить задачу накопления энергии для дальнейшего применения.
Технология была детально описана в статье, опубликованной в научном журнале Nature Nanotechnology, и написанной аспирантом Андреем Ленертом, доцентом машиностроения Эвелин Вонг, профессором физики Марин Солячич, главным научным сотрудником Иваном Селановичем и тремя другими исследователями.
Обычные кремниевые солнечные элементы способны превращать в электричество энергию далеко не всех фотонов, а только тех, чья энергия соответствует ширине запрещенной зоны фотоэлектрического материала. Ширина запрещенной зоны кремниевых солнечных элементов соответствует излучению с разными длинами волн, но есть и диапазон, который остается вне досягаемости фотоэлектрических элементов из кремния. Чтобы решить данное ограничение, команда исследователей разработала промежуточное звено между фотоэлементом и солнечным светом – двухслойный поглотитель-излучатель, исполненный из таких материалов как углеродные нанотрубки и фотонные кристаллы. Промежуточный материал собирает энергию солнечного света широкого спектра и, нагреваясь (преобразовывая солнечную энергию в тепло), излучает свет определенной длины волны, который в данном случае соответствует ширине запрещенной зоны фотогальванического элемента, расположенного рядом.
В лабораторных условиях исследователи выяснили, что двухслойный поглотитель-излучатель работал максимально эффективно, когда собирал энергию в широком диапазоне симулированного солнечного излучения, сконцентрированного в 750 раз, и нагревался до температуры в 962 градуса Цельсия.
Стоит отметить, что идея напрямую превращать тепло в электроэнергию при помощи солнечных термофотоэлектрических преобразователей (TPV) не новая. Многие ученые полагают, что именно эта концепция позволит обойти теоретический предел КПД для фотоэлектрических преобразователей с одноступенчатым переходом, предел Шокли-Квейссера, в 33,7%. Авторы исследования считают, что КПД системы с TPV-преобразователями может быть выше 80%.
Пока исследователям удалось зарегистрировать эффективность на уровне 3,2%, но КПД подобных устройств, создаваемых другими исследователями до этого, ранее не превышало 1%. В ближайшем будущем исследователи MIT намерены взять планку в 20% и этого будет достаточно для коммерциализации разработки.