Преобразование всего солнечного излучения в то, что лучше всего воспринимается однослойными фотоэлементами, в теории может поднять их эффективность с 20 до 80%. Но как этого добиться на практике? Обычная солнечная батарея на кристаллическом кремнии в силу его запрещённой зоны преобразует свет, относящийся к ближнему ИК-излучению. Остальное фотоэлемент теряет. А «избыток» видимого излучения просто перегревает кремниевые фотоэлементы, снижая их эффективность.
В теории обычный однослойный фотоэлемент такого типа не может иметь КПД выше 34%, хотя на практике этот показатель в лучшем случае на 10% ниже. Причина очевидна: он просто «швыряется» солнечным излучением. Откуда же взяться высокому КПД?
Впрочем, существуют термофотоэлектрические устройства, созданные специально для решения этой проблемы. В них солнечный свет попадает не прямо на фотоэлемент, а на промежуточный компонент, состоящий из поглотителя излучения, нагревающегося на солнце, и излучателя, который при нагреве испускает в ИК-диапазоне. Именно ИК-излучение оказывается на полупроводнике, где и превращается в электричество.
Вверху: незащищённые фотонные кристаллы на основе вольфрама после нагрева в значительной степени разрушены. Внизу: покрытие на базе диборида гафния защитило фотонные кристаллы при нагреве до 1 400 °С. (Здесь и ниже иллюстрации Kevin Arpin.)
«В сущности, мы просто «ушиваем» свет до другой длины волны — той, что идеальна для солнечной батареи, — поясняет Шаньхуэй Фань (Shanhui Fan) из Стэнфордского университета (США), один из ведущих разработчиков таких систем. — Это поднимает теоретическую эффективность батарей до 80%…»
Да, вы не ослышались — до 80%. Иными словами, теоретически это предельно эффективный подход с огромным потенциалом. Нынешние кремниевые фотоэлементы — становой хребет солнечной энергетики — обычно имеют лишь 20% КПД. Но как добиться этих удивительных 80% на практике?
Пока термофотоэлектрические системы достигли лишь 8%, и причины этого очевидны. Компоненты-посредники, призванные при нагревании испускать ИК-излучение, обычно сделаны из вольфрама, играющего аналогичную роль в лампах накаливания.
Такой материал должен быть организован в сложную трёхмерную наноструктуру (фотонный кристалл), позволяющую эффективно переизлучать в ИК-диапазоне. Однако ранее такие материалы при нагреве до 1 000 °С разрушались. Между тем нагрев промежуточных элементов должен быть как минимум не ниже этой цифры — а в идеале значительно выше.
В этот раз исследователи во главе с Полом Брауном (Paul Braun) из Иллинойсского университета в Урбане и Шампейне (США) заключили наноструктуры из вольфрама в оболочку из диборида гафния (керамика) и затем подвергли их нагреву до тысячи градусов на протяжении двенадцати часов (более длительный солнечный нагрев солнечным батареям не грозит). Более того, даже нагрев до 1 400 °С не нарушил их внутреннюю структуру при длительности рабочего цикла в один час.
«Эти результаты беспрецедентны, — без лишней скромности замечает Кевин Арпин (Kevin Arpin), ведущий автор работы. — Мы показали, что керамика может продвинуть и термофотоэлектрические элементы, и другие актуальные области исследований, такие как получение электроэнергии от низкопотенциального тепла [сейчас теряемого электростанциями], высокотемпературный катализ и электрохимическое хранение энергии».
Браун и Фань намерены испытать другие керамические материалы в разрабатываемых ими термофотоэлектрических элементах, чтобы выяснить, насколько такие экспериментальные ИК-излучатели эффективны в работающей солнечной батарее. И уже сейчас, в начале этого пути, учёные полны оптимизма. «Мы показали, что «перекраивание» оптических возможностей при высоких температурах вполне реально, — говорит Пол Браун. — Гафний и вольфрам — широко распространённые дешёвые материалы, а техпроцессы изготовления теплостойких ИК-излучателей хорошо отработаны».
Структура нового композитного материала излучателя под микроскопом.
И действительно, количество диоксида гафния и вольфрама, необходимое для одного термофотоэлектрического элемента, сравнительное невелико, и новый материал вполне способен открыть у возобновляемой энергоотрасли второе дыхание.
{social}