Солнечные панели уже давно существуют, но материалы, из которых они сделаны, не способны преобразовывать более четверти солнечной энергии в полезное электричество. Согласно расчетам MIT, среднестатистическому дому в солнечной Аризоне по-прежнему необходимо около 574 квадратных футов солнечных панелей (при условии эффективности около 15 процентов) для удовлетворения своих ежедневных потребностей в энергии. В холодном и серо-зимнем Вермонте одному и тому же дому потребуется 861 кв. Футов. Это много панелей.
Вот почему исследователи Массачусетского технологического института экспериментируют с совершенно новым процессом преобразования солнечного света, который использует чрезвычайно высокие температуры для повышения эффективности. Если он будет работать в больших масштабах, мы можем увидеть гораздо более эффективные солнечные панели в ближайшие годы, что может изменить игру на солнечную энергию.
«В рамках нашего исследования мы пытаемся устранить фундаментальные ограничения преобразования фотоэлектрической энергии», - говорит Дэвид Бирман, один из исследователей, возглавляющих проект.
Технология превращает солнечный свет в тепло, а затем преобразует тепло обратно в свет. В этом процессе используется своего рода концентратор света, называемый «поглотитель-излучатель», с поглощающим слоем из твердых черных углеродных нанотрубок, которые превращают солнечный свет в тепло. Когда температура достигает 1000 градусов по Цельсию или около того (столь же горячая, как лава от многих вулканов, просто чтобы дать вам представление), излучающий слой, сделанный из фотонного кристалла, посылает энергию обратно в виде света, который может использовать солнечный элемент.
Оптический фильтр отражает все легкие частицы, которые не могут быть использованы, процесс, называемый «повторное использование фотонов». Это значительно повышает эффективность, делая клетки в два раза эффективнее, чем нынешний стандарт.
Подходящим образом эта технология получила название «горячие солнечные элементы». Эти элементы были недавно названы одной из «10 революционных технологий 2017 года» MIT Technology Review . Редакторы этого издания ежегодно составляют этот список с 2002 года. В этом году технологии По данным MIT Technology Review, от мозговых имплантатов до самодвижущихся грузовиков и камер, способных снимать себя на 360 градусов, «это повлияет на экономику и нашу политику, улучшит медицину или повлияет на нашу культуру». «Некоторые разворачиваются сейчас, другим понадобится десятилетие или больше, чтобы развиваться», - говорят редакторы. «Но вы должны знать обо всех них прямо сейчас».
Черные углеродные нанотрубки образуют слой поглотителя-эмиттера панели. (MIT) Технология превосходит стандартные солнечные элементы на самом базовом уровне. Полупроводниковый материал стандартных ячеек, который почти всегда является кремнием, обычно захватывает только свет от фиолетового до красного спектра. Это означает, что остальная часть спектра солнечного света потеряна. Из-за этой фундаментальной проблемы солнечные элементы могут преобразовывать только около трети солнечной энергии в электричество. Эта верхняя граница, максимальная теоретическая эффективность солнечного элемента, называется пределом Шокли-Кейссера. Солнечные панели, предназначенные для домашнего использования, обычно конвертируются гораздо меньше, чем предел Shockley-Queisser, так как наиболее эффективные материалы по-прежнему чрезвычайно дороги. Но с горячими солнечными элементами этот предел, существующий более 50 лет, может стать историей.
На данный момент исследователи имеют только прототип. Это может быть десятилетие или больше, прежде чем мы увидим эти горячие солнечные элементы на рынке. В настоящее время материалы настолько дороги, что было бы трудно превратить ячейки в панели размера, необходимого для коммерческого использования.
«Нам нужно будет решить целый ряд вопросов, связанных с масштабированием устройства, чтобы на самом деле генерировать мощности, которые являются полезными решениями для людей и их проблем», - говорит Берман.
Берман и его коллеги по проекту, Андрей Ленерт, Иван Селанович, Марин Солячич, Уокер Чан и Эвелин Н. Ван, полны оптимизма и могут преодолеть эти ограничения. Они также надеются выяснить, как сохранить дополнительное тепло для последующего использования. Это может означать чистую энергию в самые пасмурные зимние дни. Даже в Вермонте.
