Hur man utnyttjar solens energi genom värme såväl som ljus

Ett nytt tillvägagångssätt för att skörda solenergi, utvecklat av MIT-forskare, skulle kunna förbättra effektiviteten genom att använda solljus för att värma ett högtemperaturmaterial vars infraröda strålning sedan skulle samlas in av en konventionell solcellscell. Denna teknik kan också göra det lättare att lagra energin för senare användning, säger forskarna.

En nanofotonisk termofotovoltaisk solanordning som består av en rad flerväggiga kolnanorör som absorbator, en endimensionell fotonisk kristall av kisel/kiseldioxid som sändare och en 0,55 eV fotovoltaisk cell. Foto med tillstånd av John Freidah.

I det här fallet förbättras prestandan genom att lägga till det extra steget, eftersom det gör det möjligt att dra fördel av ljusvåglängder som vanligtvis går till spillo. Processen beskrivs i en artikel som publicerades denna vecka i tidskriften Naturens nanoteknik , skriven av doktoranden Andrej Lenert, docent i maskinteknik Evelyn Wang, fysikprofessor Marin Soljačić, huvudforskaren Ivan Celanović och tre andra.

En konventionell kiselbaserad solcell utnyttjar inte alla fotoner, förklarar Wang. Det beror på att omvandlingen av en fotons energi till elektricitet kräver att fotonens energinivå matchar den hos en egenskap hos det fotovoltaiska (PV) materialet som kallas ett bandgap. Silicons bandgap reagerar på många våglängder av ljus, men missar många andra.

För att ta itu med den begränsningen satte teamet in en tvålagers absorber-emitter-enhet - gjord av nya material inklusive kolnanorör och fotoniska kristaller - mellan solljuset och PV-cellen. Detta mellanmaterial samlar energi från ett brett spektrum av solljus och värms upp i processen. När den värms upp, som med en bit järn som lyser glödhet, avger den ljus med en viss våglängd, som i det här fallet är avstämd för att matcha bandgapet för PV-cellen som är monterad i närheten.

Detta grundläggande koncept har utforskats i flera år, eftersom sådana termofotovoltaiska solsystem (STPV) i teorin skulle kunna ge ett sätt att kringgå en teoretisk gräns för energiomvandlingseffektiviteten hos halvledarbaserade fotovoltaiska enheter. Den gränsen, som kallas Shockley-Queisser-gränsen, sätter ett tak på 33,7 procent för sådan effektivitet, men Wang säger att med TPV-system skulle effektiviteten vara betydligt högre - den skulle helst kunna vara över 80 procent.

Det har funnits många praktiska hinder för att förverkliga den potentialen; tidigare experiment har inte lyckats producera en STPV-enhet med effektivitet på mer än 1 procent. Men Lenert, Wang och deras team har redan producerat en första testenhet med en uppmätt effektivitet på 3,2 procent, och de säger att med ytterligare arbete förväntar de sig att kunna nå 20 procent effektivitet - tillräckligt, säger de, för en kommersiellt gångbar produkt .

Utformningen av tvåskikts absorber-emitter-materialet är nyckeln till denna förbättring. Dess yttre skikt, vänd mot solljuset, är en rad flerväggiga kolnanorör, som mycket effektivt absorberar ljusets energi och omvandlar det till värme. Detta skikt är tätt bundet till ett skikt av en fotonisk kristall, som är exakt konstruerad så att när den värms upp av det bifogade skiktet av nanorör, lyser den med ljus vars toppintensitet mestadels ligger över bandgapet för den intilliggande PV, vilket säkerställer att de flesta av energin som samlas upp av absorbatorn omvandlas sedan till elektricitet.

I sina experiment använde forskarna simulerat solljus och fann att dess maximala effektivitet kom när dess intensitet motsvarade ett fokuseringssystem som koncentrerar solljus med en faktor på 750. Detta ljus värmde upp absorbator-emittern till en temperatur på 962 grader Celsius.

Denna koncentrationsnivå är redan mycket lägre än vid tidigare försök med STPV-system, som koncentrerade solljus med en faktor på flera tusen. Men MIT-forskarna säger att efter ytterligare optimering borde det vara möjligt att få samma typ av förbättring vid ännu lägre solljuskoncentrationer, vilket gör systemen lättare att använda.

Ett sådant system, säger teamet, kombinerar fördelarna med solcellssystem, som omvandlar solljus direkt till elektricitet, och solvärmesystem, som kan ha en fördel för fördröjd användning eftersom värme kan lagras lättare än el. De nya termofotovoltaiska solcellssystemen, säger de, skulle kunna ge effektivitet på grund av deras bredbandsabsorption av solljus; skalbarhet och kompakthet, eftersom de är baserade på befintlig teknik för chiptillverkning; och enkel energilagring, på grund av deras beroende av värme.

Några av sätten att ytterligare förbättra systemet är ganska enkla. Eftersom systemets mellanstadium, absorbator-emittern, förlitar sig på höga temperaturer är dess storlek avgörande: Ju större ett föremål, desto mindre yta har det i förhållande till sin volym, så värmeförlusterna minskar snabbt med ökande storlek. De första testerna gjordes på ett 1-centimeters chip, men uppföljande tester kommer att göras med ett 10-centimeters chip, säger de.

Zhuomin Zhang, professor i maskinteknik vid Georgia Institute of Technology som inte var involverad i denna forskning, säger: Detta arbete är ett genombrott inom termofotovoltaik, som i princip kan uppnå högre effektivitet än konventionella solceller eftersom STPV kan dra fördel av hela solspektrumet. … Denna prestation banar väg för att snabbt öka STPV-effektiviteten.

Forskargruppen inkluderade också MIT-studenterna David Bierman och Walker Chan, tidigare postdoc Youngsuk Nam och forskaren Ivan Celanović. Arbetet finansierades av U.S. Department of Energy genom MIT:s Solid-State Solar Thermal Energy Conversion (S3TEC) Center, samt Martin Family Society, MIT Energy Initiative och National Science Foundation.

Dölj