Modyfikowanie konwencjonalnych paneli słonecznych w celu uzyskania jak największej sprawności trwa w najlepsze. Tym razem, naukowcy z Massachusetts Institute of Technology (MIT) zaprezentowali hybrydowe ogniwo, które przekształca światło słoneczne na ciepło (promieniowanie podczerwone), które później absorbowane jest przez komórki do wytwarzania energii elektrycznej. Dodatkowy krok w konwersji energii, może znacząco wpłynąć na poprawę sprawności paneli solarnych, gdyż wykorzystywane są fale o długościach, dotychczas niezagospodarowanych.
Tradycyjne ogniwa fotowoltaiczne zbudowane są z elementów półprzewodnikowych (najczęściej krzemu, germanu, selenu) w którym następuje konwersja fotowoltaiczna energii promieniowania słonecznego w energię elektryczną. Poprzez wykorzystanie półprzewodnikowego złącza typu p-n (z ang. positive-negative), w którym pod wpływem fotonów o energii większej, niż szerokość przerwy energetycznej półprzewodnika, elektrony przemieszczają się do obszaru n, a dziury do obszaru p. Przemieszczenie ładunków elektrycznych powoduje pojawienie się różnicy potencjałów, czyli napięcia elektrycznego. Innymi słowy, padające na ogniwo słoneczne światło wybija elektrony walencyjne z ich miejsc w strukturze półprzewodnika, tworząc pary nośników ładunków o przeciwnych znakach. Następnie, zostają one rozdzielone na złączu p-n przez pole elektryczne, co prowadzi do powstania napięcia. Zasadę przewodnictwa elektrycznego oraz modeli elektrycznych (przewodników, półprzewodników i izolatorów) w ciałach stałych opisuje pasmowa teoria przewodnictwa elektrycznego.
Na promieniowanie słoneczne składa się promieniowanie świetlne i cieplne (światło widzialne, podczerwień, ultrafiolet i promieniowanie Rentgena). Konwencjonalne panele słoneczne absorbują tylko część widma promieniowania, o odpowiedniej długości fali (decyduje o tym przerwa energetyczna materiału absorbującego). Aby powstał prąd, do ogniwa muszą docierać fotony o energii potrzebnej do pokonania pasma wzbronionego (z ang. band gap). Fale o wyższej energii są marnowane w postaci ciepła, a te o niższej po prostu przenikają przez panel. Natężenie promieniowania zmienia się w zależności od stopnia zachmurzenia, pory roku i pory dnia. Urządzenia na bazie półprzewodnikowego krzemu reagują w większości na część widma światła widzialnego oraz promieniowanie podczerwone. Zastosowanie komórek termofotowoltaicznych (z ang. thermophotovoltaic, TPV) może teoretycznie pozwolić na osiągnięcie wyższej sprawności półprzewodnikowych ogniw i pokonać tzw. limit Shockleya-Queissera, który wynosi 33,7% dla ogniw jednowarstwowych. Jak wyjaśniają badacze, uzyskanie lepszego wyniku jest możliwe dzięki spożytkowaniu fal o długościach do tej pory odrzucanych. Dodatkowo, brak w nich ruchomych części, są bezgłośne oraz nie wymagają częstej konserwacji.
Badacze z MIT opracowali termofotowoltaiczne urządzenie składające się z absorbera nagrzewanego przez promieniowanie słoneczne oraz emitera przekształcającego zgromadzone ciepło na promieniowanie podczerwone, odbierane przez komórki ogniwa słonecznego. Konstrukcja dwuwarstwowego materiału absorber-emiter była kluczem do wykorzystania szerszego spektrum promieniowania. Absorber zbudowany został z wielościennych nanorurek węglowych (z ang. multiwalled carbon nanotubes, MWNT), a selektywny emiter z jednowymiarowych kryształów fotonicznych Si/SiO2 (z ang. 1D photonic crystals). Warstwy o grubości nie przekraczającej 550 mikrometrów, zostały naniesione na fotowoltaiczną, półprzewodnikową komórkę o przerwie energetycznej na poziomie 0,55 eV i wymiarach 1×1 cm. Podczas ekspozycji na strumień promieniowania o wartości 75 W/cm^2, nanorurki węglowe nagrzewały się do temperatury 962°C i przekazywały energię cieplną fotonicznym kryształom. Następnie, jednowymiarowe struktury emitowały niewidzialne fale podczerwone o określonej długości (dostosowanej do pasma wzbronionego ogniwa fotowoltaicznego), wzbudzające elektrony walencyjne w półprzewodniku.
Sprawność ogniwa z nanomateriałów wyniosła 3,2%. Poprzednie, laboratoryjne konstrukcje tego typu charakteryzowały się bardzo krótką żywotnością oraz maksymalnie 8% efektywnością konwersji, przy znacznie wyższym współczynniku natężenia światła. Sprawne pochłanianie światła przez absorber i kontrola spektrum produkowanego przez emiter było utrudnione przez wysokie temperatury. Zespół z MIT dokonał optymalizacji produktu przez zastosowanie innych materiałów, co wpłynęło korzystnie także na jego stabilność. Mimo tego, wynik był kilkakrotnie niższy w porównaniu do standardowych komórek fotowoltaicznych stosowanych obecnie (7-16%). Jednak w przypadku ogniw termofotowoltaicznych, szczególne znaczenie ma wielkość pola powierzchni w stosunku do objętości. Badana prowadzone przez naukowców na komórce o polu 1cm^2 i kilku milimetrach grubości, wykazały generowanie dużych strat ciepła. Naukowcy pracują obecnie nad urządzeniem o wymiarach 10×10 cm, które według obliczeń ma prezentować sprawność na poziomie 20%.
Jak sugerują badacze, w przyszłości udoskonalone ogniwa TPV mogłyby konwertować energię nawet z 80% skutecznością. Inżynierowie są zdania, że urządzenia termofotowoltaiczne mają przewagę nad ich tradycyjnymi kuzynami, ponieważ ciepło łatwiej przechowywać niż energię elektryczną. Pochłanianie szerokiego pasma promieniowania, zwartość i łatwość fabrykacji dodatkowo zwiększają możliwości ich stosowania.
Źródło:
[1] Andrej Lenert, David M. Bierman, Youngsuk Nam, Walker R. Chan, Ivan Celanović, Marin Soljačić, Evelyn N. Wang. A nanophotonic solar thermophotovoltaic device. Nature Nanotechnology, 2014; DOI: 10.1038/nnano.2013.286
[2] http://www.nature.com/nnano/journal/vaop/ncurrent/full/nnano.2013.286.html [27.01.2014]
[3] http://www.nature.com/nnano/journal/vaop/ncurrent/extref/nnano.2013.286-s1.pdf [27.01.2014]
[4] http://mitei.mit.edu/news/how-tap-sun%E2%80%99s-energy-through-heat-well-light [27.01.2014]
[5] Have a sunny day! by Activ Solar, flickr.com, CC BY-SA 2.0