Hvordan man udnytter solens energi gennem varme såvel som lys

En ny tilgang til høst af solenergi, udviklet af MIT forskere, kunne forbedre effektiviteten ved at bruge sollys til at opvarme et højtemperaturmateriale, hvis infrarøde stråling derefter ville blive opsamlet af en konventionel fotovoltaisk celle. Denne teknik kan også gøre det lettere at opbevare energien til senere brug, siger forskerne.

I dette tilfælde, tilføjelse af det ekstra trin forbedrer ydeevnen, fordi det gør det muligt at udnytte bølgelængder af lys, der normalt går til spilde. Processen er beskrevet i et papir offentliggjort i denne uge i tidsskriftet Natur nanoteknologi , skrevet af kandidatstuderende Andrej Lenert, lektor i maskinteknik Evelyn Wang, fysikprofessor Marin Soljačić, hovedforsker Ivan Celanović, og tre andre.

En konventionel siliciumbaseret solcelle "udnytter ikke alle fotonerne, " Wang forklarer. Det er fordi at konvertere en fotons energi til elektricitet kræver, at fotonens energiniveau matcher det for en karakteristik af det fotovoltaiske (PV) materiale kaldet et båndgab. Siliciums båndgab reagerer på mange bølgelængder af lys, men savner mange andre.

For at imødegå denne begrænsning, holdet indsatte en to-lags absorber-emitter-enhed - lavet af nye materialer, herunder carbon nanorør og fotoniske krystaller - mellem sollys og PV-cellen. Dette mellemmateriale opsamler energi fra et bredt spektrum af sollys, opvarmes i processen. Når det varmer op, som med et stykke jern, der lyser rødglødende, det udsender lys af en bestemt bølgelængde, som i dette tilfælde er indstillet til at matche båndgabet for PV-cellen monteret i nærheden.

Dette grundlæggende koncept har været udforsket i flere år, da sådanne solvarmesystemer (STPV) i teorien kunne give en måde at omgå en teoretisk grænse for energikonverteringseffektiviteten af ​​halvlederbaserede fotovoltaiske enheder. Den grænse, kaldet Shockley-Queisser-grænsen, pålægger et loft på 33,7 procent for en sådan effektivitet, men Wang siger, at med TPV-systemer, "effektiviteten ville være væsentligt højere - den kunne ideelt set være over 80 procent."

Der har været mange praktiske forhindringer for at realisere dette potentiale; tidligere eksperimenter har ikke været i stand til at producere en STPV-enhed med effektivitet på mere end 1 procent. Men Lenert, Wang, og deres team har allerede produceret en indledende testenhed med en målt effektivitet på 3,2 procent, og de siger, at de med yderligere arbejde forventer at kunne nå 20 procent effektivitet – nok, de siger, for et kommercielt levedygtigt produkt.

Designet af det to-lags absorber-emitter-materiale er nøglen til denne forbedring. Dens ydre lag, vendt mod sollys, er en række flervæggede kulstof nanorør, som meget effektivt absorberer lysets energi og omdanner det til varme. Dette lag er bundet tæt til et lag af en fotonisk krystal, som er præcist konstrueret således, at når det opvarmes af det vedhæftede lag af nanorør, det "gløder" med lys, hvis maksimale intensitet for det meste er over båndgabet af den tilstødende PV, sikre, at det meste af den energi, absorberen opsamler, derefter omdannes til elektricitet.

I deres eksperimenter, forskerne brugte simuleret sollys, og fandt ud af, at dens maksimale effektivitet kom, når dens intensitet svarede til et fokuseringssystem, der koncentrerer sollys med en faktor på 750. Dette lys opvarmede absorber-emitteren til en temperatur på 962 grader Celsius.

Dette koncentrationsniveau er allerede meget lavere end i tidligere forsøg med STPV-systemer, som koncentrerede sollys med en faktor på flere tusinde. Men MIT-forskerne siger, at efter yderligere optimering, det burde være muligt at få den samme form for forbedring ved endnu lavere sollyskoncentrationer, gør systemerne nemmere at betjene.

Sådan et system, holdet siger, kombinerer fordelene ved solcelleanlæg, som omdanner sollys direkte til elektricitet, og solvarmesystemer, hvilket kan have en fordel ved forsinket brug, fordi varme lettere kan lagres end el. De nye termofotovoltaiske solsystemer, de siger, kunne give effektivitet på grund af deres bredbåndsabsorption af sollys; skalerbarhed og kompakthed, fordi de er baseret på eksisterende chip-fremstillingsteknologi; og nem energilagring, på grund af deres afhængighed af varme.

Nogle af måderne til at forbedre systemet yderligere er ret ligetil. Siden systemets mellemstadie, absorber-emitteren, er afhængig af høje temperaturer, dens størrelse er afgørende:Jo større en genstand er, jo mindre overfladeareal den har i forhold til volumen, så varmetabet aftager hurtigt med stigende størrelse. De indledende test blev udført på en 1-centimeter chip, men opfølgende test vil blive udført med en 10-centimeter chip, de siger.