Droner vil flyve i dagevis med ny solcellemotor

UC Berkeley-forskere har lige slået endnu en rekord i fotovoltaisk effektivitet, en præstation, der kan føre til en ultralet motor, der kan drive droner i dagevis.

I de sidste 15 år, effektiviteten af ​​at omdanne varme til elektricitet med termovoltaik er gået i stå på 23 procent. Men en banebrydende fysisk indsigt har gjort det muligt for forskere at hæve denne effektivitet til 29 procent. Ved at bruge et nyt design, forskerne sigter nu mod at nå 50 procent effektivitet i den nærmeste fremtid ved at anvende veletablerede videnskabelige koncepter.

Dette gennembrud har store konsekvenser for teknologier, der i øjeblikket er afhængige af tunge batterier til strøm. Termofotovoltaik er en ultralet alternativ strømkilde, der kan tillade droner og andre ubemandede luftfartøjer at operere kontinuerligt i dagevis. Det kunne også bruges til at drive dybe rumsonder i århundreder og i sidste ende et helt hus med en generator på størrelse med en kuvert.

Deres arbejde blev beskrevet i et papir offentliggjort i denne uge i Proceedings of the National Academy of Sciences .

"Thermophotovoltaics er kompakte og ekstremt effektive til en bred vifte af applikationer, fra dem, der kræver så lidt som 100 watt, [såsom] et letvægts ubemandet luftfartøj, til 100 megawatt, [leverer] elektricitet til 36, 000 hjem. Sammenlignet med, et 100 megawatt kombineret kraftværk er massivt, sagde Eli Yablonovitch, professor i elektroteknik og datalogi (EECS) og tilsvarende forfatter på papiret.

Ifølge Yablonovitch, denne konstatering bygger på arbejde, som han og studerende offentliggjorde i 2011, som fandt ud af, at nøglen til at øge solcelleeffektiviteten ikke var ved at absorbere flere fotoner (lys), men at udsende dem. Ved at tilføje et stærkt reflekterende spejl på bagsiden af ​​en fotovoltaisk celle, de slog effektivitetsrekorder på det tidspunkt og er blevet ved med at gøre det med efterfølgende forskning.

Grafitbånd (glødende stang), der opvarmer den termofotovoltaiske celle, der sidder under den. (Foto af Luis M. Pazos Outόn, UC Berkeley)

"Det, spejlet gør, er at skabe en tæt infrarød selvlysende fotongas i solcellen, et fænomen, der tilføjer spænding, " sagde Yablonovitch.

For nylig, hans team erkendte, at dette spejl kunne tjene dobbelt pligt. Faktisk, det løser en af ​​de største udfordringer inden for termofotovoltaik:hvordan man udnytter de termiske (varme) fotoner, der har for lidt energi til at producere elektricitet. Det viser sig, at spejlet kan reflektere de små fotoner for at genopvarme den termiske kilde, giver en ny chance for at skabe en højenergifoton og generere elektricitet. Dette fænomen fører til hidtil uset effektivitet.

"Vi har opnået dette rekordstore resultat, selvom vi bare bruger et simpelt guldspejl. Nu, vi tilføjer et dielektrisk lag over guldet, og det vil forbedre vores effektivitet til 36 procent, " sagde Luis M. Pazos Outόn, en postdoc-forsker i EECS og en af ​​hovedforfatterne på papiret.

"Bare ved at øge reflektiviteten, vi får 36 procent effektivitet. Men ved at lave andre justeringer af cellen, ved at bruge afprøvede teknikker i den videnskabelige litteratur, vi ved, at vi kan nå 50 procent effektivitet, " sagde Zunaid Omair, en kandidatstuderende forsker i EECS og førsteforfatter på papiret. "Før vores resultat, termofotovoltaisk effektivitet var gået i stå på 23 procent i lang tid, så at komme fra 23 til 29 procent er en rigtig stor sag."