Sådan tappes 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.

En nanofotonisk termofotovoltaisk sol-enhed sammensat af en række flervæggede kulstofnanorør som absorberen, en endimensionel silicium/siliciumdioxid fotonisk krystal som emitter og en 0,55 eV fotovoltaisk celle. Foto udlånt af John Freidah.

I dette tilfælde forbedrer tilføjelsen af ​​det ekstra trin ydeevnen, fordi det gør det muligt at drage fordel af 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, ledende forsker Ivan Celanović og tre andre.

En konventionel siliciumbaseret solcelle udnytter ikke alle fotonerne, forklarer Wang. Det er fordi at konvertere energien fra en foton til elektricitet kræver, at fotonens energiniveau svarer til en egenskab ved det fotovoltaiske (PV) materiale kaldet et båndgap. Silicons båndgab reagerer på mange bølgelængder af lys, men savner mange andre.

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

Dette grundlæggende koncept er blevet undersøgt i flere år, da sådanne solvarmesystemer (STPV) i teorien kunne give en måde at omgå en teoretisk grænse for energikonverteringseffektiviteten af ​​halvlederbaserede fotovoltaiske enheder. Denne grænse, kaldet Shockley-Queisser-grænsen, pålægger en sådan effektivitet et loft på 33,7 procent, men Wang siger, at med TPV-systemer ville effektiviteten være betydeligt 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 med yderligere arbejde, at de forventer at kunne nå 20 procent effektivitet - nok, siger de, til et kommercielt levedygtigt produkt .

Designet af det to-lags absorber-emitter-materiale er nøglen til denne forbedring. Dets ydre lag, der vender mod sollys, er en række flervæggede kulstofnanorør, 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, lyser det med lys, hvis spidsintensitet for det meste er over båndgabet af den tilstødende PV, hvilket sikrer, at de fleste af den energi, absorberen opsamler, bliver så til elektricitet.

I deres eksperimenter brugte forskerne simuleret sollys og fandt ud af, at dets maksimale effektivitet kom, når dets 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 på STPV-systemer, som koncentrerede sollys med en faktor på flere tusinde. Men MIT-forskerne siger, at efter yderligere optimering burde det være muligt at få den samme form for forbedring ved endnu lavere sollyskoncentrationer, hvilket gør systemerne nemmere at betjene.

Sådan et system, siger holdet, kombinerer fordelene ved solcelleanlæg, som omdanner sollys direkte til elektricitet, og solvarmeanlæg, som kan have en fordel ved forsinket brug, fordi varmen lettere kan lagres end elektricitet. De nye termofotovoltaiske solsystemer, siger de, 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. Da systemets mellemtrin, absorber-emitteren, er afhængig af høje temperaturer, er dets størrelse afgørende: Jo større en genstand er, jo mindre overflade har den i forhold til volumen, så varmetabet aftager hurtigt med stigende størrelse. De indledende test blev lavet på en 1-centimeter-chip, men opfølgende tests vil blive udført med en 10-centimeter-chip, siger de.

Zhuomin Zhang, professor i maskinteknik ved Georgia Institute of Technology, som ikke var involveret i denne forskning, siger: Dette arbejde er et gennembrud inden for termofotovoltaiske solceller, som i princippet kan opnå højere effektivitet end konventionelle solceller, fordi STPV kan drage fordel af hele solspektret. … Denne præstation baner vejen for hurtigt at øge STPV-effektiviteten.

Forskerholdet inkluderede også MIT-kandidatstuderende David Bierman og Walker Chan, tidligere postdoc Youngsuk Nam og forsker Ivan Celanović. Arbejdet blev finansieret af det amerikanske energiministerium gennem MIT's Solid-State Solar Thermal Energy Conversion (S3TEC) Center, samt Martin Family Society, MIT Energy Initiative og National Science Foundation.

skjule