«Это рекордные характеристики с точки зрения термостабильности и значительный прогресс в области термофотоэлектрической энергии», — сказал Шанхуэй Фань, профессор электротехники в Стэнфордском университете. Фан и его коллеги из Университета Иллинойса в Урбане Шампейн (Иллинойс) и Университета штата Северная Каролина сотрудничали в этом проекте. Их результаты опубликованы в выпуске журнала Nature Communications от 16 октября.
Типичный солнечный элемент имеет кремниевый полупроводник, который непосредственно поглощает солнечный свет и преобразует его в электрическую энергию. Но кремниевые полупроводники реагируют только на инфракрасный свет. Световые волны с более высокой энергией, включая большую часть видимого спектра света, расходуются в виде тепла, а волны с более низкой энергией просто проходят через солнечную панель.
«Теоретически обычные однопереходные солнечные элементы могут достичь уровня эффективности только около 34 процентов, но на практике они этого не достигают», — сказал соавтор исследования Пол Браун, профессор материаловедения в Иллинойсе. «Это потому, что они выбрасывают большую часть солнечной энергии».Термофотоэлектрические устройства созданы для преодоления этого ограничения.
Вместо того, чтобы направлять солнечный свет непосредственно на солнечную батарею, термофотоэлектрические системы имеют промежуточный компонент, состоящий из двух частей: поглотителя, который нагревается при воздействии солнечного света, и излучателя, преобразующего тепло в инфракрасный свет, который затем излучается на солнечный свет. клетка.«По сути, мы адаптируем свет к более коротким длинам волн, которые идеально подходят для управления солнечными батареями», — сказал Фан. «Это увеличивает теоретическую эффективность ячейки до 80 процентов, что весьма примечательно».
По словам Брауна, до сих пор термофотовольтаические системы достигли уровня эффективности только около 8 процентов. Низкая производительность в значительной степени связана с проблемами с промежуточным компонентом, который обычно изготавливается из вольфрама — материала, который также широко используется в обычных лампах.«Наши тепловые излучатели имеют сложную трехмерную наноструктуру, которая должна выдерживать температуры выше 1800 F (1000 C), чтобы быть практичными», — пояснил Браун. «На самом деле, чем жарче, тем лучше».
Однако в предыдущих экспериментах трехмерная структура эмиттера была разрушена при температуре около 1800 F (1000 C). Чтобы решить эту проблему, Браун и его коллеги из Иллинойса покрыли вольфрамовые эмиттеры нанослоем керамического материала, называемого диоксидом гафния.Результаты были впечатляющими. При воздействии температур 1800 F (1000 C) эмиттеры с керамическим покрытием сохраняли свою структурную целостность более 12 часов.
При нагревании до 2500 F (1400 ° C) образцы оставались термически стабильными не менее часа.Излучатели с керамическим покрытием были отправлены Фэну и его коллегам из Стэнфорда, которые подтвердили, что устройства по-прежнему способны генерировать инфракрасные световые волны, которые идеально подходят для работы солнечных элементов.«Эти результаты беспрецедентны», — сказал бывший аспирант Иллинойса Кевин Арпин, ведущий автор исследования. «Мы впервые продемонстрировали, что керамика может способствовать развитию термофотовольтаики, а также в других областях исследований, включая сбор энергии из отходящего тепла, высокотемпературный катализ и электрохимическое накопление энергии».
Браун и Фан планируют протестировать другие материалы керамического типа и определить, могут ли экспериментальные тепловые излучатели доставлять инфракрасный свет к работающему солнечному элементу.«Мы продемонстрировали, что изменение оптических свойств при высоких температурах возможно», — сказал Браун. «Гафний и вольфрам — недорогие материалы в изобилии, и процесс, используемый для изготовления этих термостойких излучателей, хорошо зарекомендовал себя.
Надеемся, что эти результаты побудят сообщество термофотовольтаиков еще раз взглянуть на керамику и другие классы материалов, которые не имеют считается ".Другими авторами исследования являются Николас Сержант, Линьсяо Чжу и Цзунфу Ю из Стэнфорда; Эндрю Клауд, Хайлонг Нин, Джастин Маллек, Берк Каланян, Грегори Джиролами и Джон Абельсон из Иллинойса; и Марк Лосего и Грегори Парсонс из Университета штата Северная Каролина.