Нові сонячні батареї здатні виробляти світло з тепла
Є два напрямки розвитку теорії перетворення сонячної енергії в електричну. Перша теорія має на увазі перетворення сонячного світла за допомогою певних властивостей напівпровідників, здатних генерувати електричну енергію при попаданні на них сонячного світла і, друга, яка передбачає збір тепла від концентрованих сонячних променів і подальше перетворення тепла в електроенергію за допомогою теплових турбін, як на ТЕС.
Ці сонячні батареї містять шари спеціальних матеріалів, здатних поглинати сонячне світло і зберігати його у вигляді тепла, а потім випромінювати його в вигляді світла. Регулюючи кількість шарів матеріалу можна змінювати довжину випромінюваної світлової хвилі. Основний шар традиційний для сонячних батарей - кремній, потім може перетворювати вторинне випромінювання в електричний струм. Теоретично така система має ККД вище, ніж поодинокі фотоелементи.
Вчені MIT просунулися в цьому напрямку ще далі. При дослідженні поліпшених STPV компонентів і звичайних сонячних елементів при прямому сонячному світлі і при похмурій погоді виявили, що їх система може більше ніж в два рази перевищувати теоретичну межу ККД сонячних елементів.
Ця межа, відомий як межа Шоклі - Квайссер, був значною стіною для багатьох дослідників після розрахунків винахідника транзистора Вільяма Шоклі і Hans-Joachim Queisser в 1961 році. Для одношарової кремнієвої осередку даний межа дорівнював близько 32%. Типові сучасні сонячні батареї мають ефективність 10% - 20%.
«В елементах thermophotovoltaics є всі можливості для подолання даного межі» - говорить David Beirman, один з учасників проекту. «Ми показали, що тільки з нашої власної неоптимізованою геометрією ми могли б зламати межа Шоклі - Квайссер», - додав він. Сонячна батарея зможе генерувати в два рази більшу потужність від заданої площі сонячних панелей, які складаються з кремнієвих елементів.
Нові досягнення в області thermophotovoltaics були різнохарактерними протягом багатьох років. Основною перешкодою для вчених був процес добірки матеріалів, випромінюючих сонячну енергію в певних довжинах хвиль і здатних витримувати високі температури.
Нанодротів поглинають практично всі фотони сонячного світла, сконцентрованого в вузький пучок через ряд дзеркал. Світло від сонця нагріває матеріал, і як тільки температура досягає 1000 0 С, кристали починають випромінювати світлові хвилі певної довжини, при яких основний елемент може вступати в реакцію. Вдосконалений оптичний фільтр відображає назад будь-які хвилі небажаної довжини, які поглинаються назад кристалом для збереження тепла.
Деякі види сонячних батарей досягали ККД більше 40%, але при цьому використовували кілька шарів клітин, здатних поглинати ширшу смугу видимого світла. Проблема полягала в тому, що така структура елемента настільки дорога, що знайшла застосування лише в супутникової та іншої космічній техніці.
Продукт нових досліджень включає в себе кристалічний кремній, найпоширеніший і дешевий матеріал для сонячних батарей, які завдяки новій технології можуть пристойно подешевшати. Також їх ефективність значно зростає при експлуатації в похмуру погоду, так як для своєї роботи дана конструкція використовує тепло, а не прямі промені. Наступним кроком досліджень, за словами Beirman, буде розширення лабораторних прототипів і здешевлення конструкції батарей.