Основна причина низької продуктивності сонячних батарей - втрати теплової енергії. Але навіщо ж «викидати» те, що можна використовувати?
Дослідники зі Стенфордського університету запропонували новий тип пристрою, що перетворює сонячну енергію на електрику. Створений ними прототип працює за таким принципом: сонячне випромінювання збуджує електрони, а тепло «переконує» їх перескочити через вакуум в інший електрод, створюючи електричний струм. Пристрій може також перенаправляти «зайве» тепло до парового двигуна і перетворювати близько 50% сонячної енергії в електрику - це приблизно в 2 рази більше порівняно з продуктивністю сучасних сонячних батарей.
Більшість кремнієвих сонячних батарей перетворюють в електрику не більше 20% енергії сонячного випромінювання, що потрапляє на них. Це відбувається тому, що активні елементи в них можуть працювати тільки з вузькою смугою сонячного спектра. Якщо енергія фотона менше нижньої межі цієї «смуги», вона повністю переходить в теплову. Фотони з надлишковою енергією також витрачають частину цієї енергії даремно.
Одним із способів вирішення цієї проблеми є створення багатошарових сонячних батарей, кожен «рівень» яких призначений для перетворення випромінювання з певною довжиною хвилі. Ефективність такого пристрою може досягати 40%, але і ціна при цьому значно зростає.
У пошуках шляху ефективного використання теплової енергії сонця Ніколас Мелош (Nicholas Melosh) звернув увагу на роботу когенераційних установок, які використовують розширення спалюваного газу, щоб обертати турбіни; і тепло від горіння для парового двигуна.
Але перетворювачі теплової енергії не можна використовувати в парі зі звичайними сонячними установками. Перетворення теплової енергії тим ефективніше, чим вище температура. Але висока температура - ворог сонячних батарей. При 100 градусах за Цельсієм вони починають працювати погано, а при 200 градусах - перестають працювати взагалі.
У пошуках відповідного «суміщеного» пристрою дослідники зупинилися на термоемісійному перетворювачі (ТЕП), робота якого заснована на ефекті термоелектронної емісії. Перетворювач складається з двох електродів, розділених невеликим проміжком. При нагріванні катода (як правило, виготовленого з цезію) його електрони збуджуються і «перескакують» на анод, минаючи порожній простір. У результаті виникає електричний струм у зовнішньому ланцюгу.
Однак на практиці термоемісійні перетворювачі використовуються досить рідко. Наприклад, у космічній ядерній енергетичній установці «Топаз» (ТЭУ-5 «Тополь») працював такий перетворювач потужністю близько 6кВт. Основна причина, через яку ТЕП не отримали широкого поширення - високі температури (приблизно 1500 ºС), необхідні для ефективної роботи.
Група Мелоша використовувала для виготовлення катода не цезій, а пластину з напівпровідникового матеріалу, здатного перетворювати не тільки тепло, але і світло. Фотони, що потрапляють на пластину, передають електронам свою енергію приблизно так само, як це відбувається в сонячних батареях. А щоб «перескочити» на анод, таким «попередньо збудженим» («preexcited») електронам потрібні набагато нижчі температури, ніж у ТЕП з металевим катодом.
Автори роботи визнають, що від прототипу до промислового зразка пристрою належить пройти довгий шлях. Однак їх робота, результати якої опубліковані в журналі Nature Materials, показала, що така установка в принципі можлива.
Як напівпровідниковий матеріал прототип використовує нітрид галію. При температурі 200 ºС він перетворює на електрику всього 25% енергії випромінювання, але зі збільшенням температури ефективність зростає. Цей підхід досить перспективний, оскільки пропонує спосіб використання теплової енергії, яка в звичайних сонячних батареях просто втрачається. Але для створення установки, застосовної на практиці, метод доведеться ще довго «допрацьовувати напильником». Чим і займається група дослідників зі Стенфорда в даний час.
Вчені тестують пристрої на базі різних матеріалів, що найбільш підходять для перетворення сонячної енергії, в тому числі кремнію і арсеніду галію. Вони розробляють способи модифікації цих матеріалів для досягнення максимальної ефективності при температурах 400 − 600 ^ С. Щоб отримати такі високі температури, передбачається використовувати концентратори сонячної енергії.
Навіть при високих температурах (і високому ККД) «фотон-термоемісійний перетворювач» (ФТЕП) буде мати надлишок непереробленої теплової енергії. Мелош пропонує відводити це тепло і використовувати в роботі парового двигуна. Така установка працюватиме з ефективністю понад 50%. Подібні системи, швидше за все, виявляться занадто складними, щоб встановлювати їх на дахах будинків, а ось для великих сонячних ферм - вельми вигідними. Мелош сподівається, що протягом 3 років пристрій буде готовий для комерційного використання.
За повідомленням Technology Review
