Инженеры Массачусетского технологического института (MIT) и Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) создали термофотовольтаический элемент (TPV), который преобразует тепло в электричество с эффективностью более 40%. Устройство почти дотягивает по характеристикам до традиционных паротурбинных электростанций. TPV похож на фотоэлектрический элемент солнечной панели. Он пассивно улавливает фотоны высокой энергии от разогретого источника тепла и преобразует их в электричество. Разработанной командой образец, по сути, представляет собой твердотельный тепловой двигатель, но не содержит подвижных частей и может генерировать электричество от источника тепла, нагретого до 1900-2400 градусов Цельсия.
Для этого в нем используются металлические сплавы с широкой запрещенной зоной (зазором между валентной зоной материала и его зоной проводимости), расположенные поверх сплава с немного меньшей шириной запрещенной зоны, под которым находится зеркальная золотая пластинка. Первый слой TPV-элемента поглощает фотоны с самой высокой энергией, второй — с меньшей, а последний — отражает остаточное тепловое излучение обратно в накопитель тепла.
«Одним из преимуществ твердотельных преобразователей энергии является то, что они могут работать при более высоких температурах с меньшими затратами на техническое обслуживание, поскольку в них нет подвижных частей. Они просто генерируют электроэнергию», — сказал Асегун Генри, профессор по развитию карьеры на факультете машиностроения Массачусетского технологического института.
На сегодняшний день большинство ячеек TPV достигли эффективности около 20%, а предыдущий рекорд составлял 32%. Площадь термофотовольтаического элемента, который использовали в опытах MIT, около 1 квадратного сантиметра. Генри считает, что для более масштабной системы тепловых батарей ячейки должны занимать около 10 тысяч квадратных футов (около четверти футбольного поля) и будут работать на складах с климат-контролем. Там они смогут преобразовывать энергию от огромных хранилищ накопленной солнечной энергии (например, разогретого графита).