Инженеры Стэнфордского университета придумали, как одновременно использовать свет и тепло солнца для выработки электроэнергии. Это изобретение может сделать солнечную энергетику более чем вдвое эффективнее существующих методов и достаточно дешевой, чтобы конкурировать с нефтью.


В отличие от фотоэлектрических технологий используемых в настоящее время в солнечных батареях, которые становятся менее эффективными при повышении температуры, новый процесс использует более высокую температуру для выработки электроэнергии.

Процесс названный "фотонное увеличение термоэлектронной эмиссии" (photon enhanced thermionic emission), или ФУТЭ (PETE), обещает превзойти по эффективности существующие фотоэлектрических и тепловых технологий преобразования энергии.

"Это действительно концептуальный прорыв в преобразовании энергии , а не просто новый материал или несколько иные характеристики ", говорит Ник Милош, доцент кафедры материаловедения и машиностроения, который возглавляет исследовательскую группу.

Все материалы, необходимые для изготовления устройства дешевые и легко доступные, таким образом энергия, которая будет выработана им будет дешевой.

Статья с описанием устройства опубликована 1 августа,в журнале Nature Materials.

Большинство фотоэлектрических элементов, которые используются в солнечных батареях, используют полупроводниковый материал кремний для преобразования энергии фотонов света в электричество. Эти батареи используют только часть солнечного спектра, и абсолютно не используют тепловую энергию Солнца.

Потери энергии связанной с неиспользованием тепловой энергии в солнечных батареях достигают более 50% - чтовляется одним из их главных недостатков.
Если пропадающая впустую тепловая энергия будет использована, солнечные элементы будут гораздо более эффективными. Проблема в том, что для генерации электроэнергии из тепловой энергии необходима высокая температура, но с ростом температуры уменьшается эффективность солнечных батарей.

До сих пор никто не придумал способ соединить достоинства тепловых и солнечных технологии преобразования.
. Группа Милоша выяснила, что часть полупроводникового материала покрытая тонким слоем металла цезия, сделала материал способным использовать и свет, и тепло для выработки электроэнергии.

"Мы продемонстрировали новый физический процесс, который не основан на стандартных фотоэлектрических механизмах, но могу дать вам фотоэлектрическое преобразование при очень высоких температурах", говорит Милош. "Фактически, он работает лучше при более высоких температурах. Чем выше, тем лучше".
Хотя большинство кремниевых солнечных элементов становятся были инертными при достижении температуры 100 градусов по Цельсию, ФУТЭ устройство не достигает максимальной эффективности, даже если она составляет более 200 градусов C.
Потому что ФУТЭ лучше работает при температурах значительно превышающих температуру солнечные батарей достигнет, устройства будут работать лучше в концентраторов солнечной энергии, таких как параболических тарелок, в которых можно получить температуру 800 ° С. Тарелки используются в больших солнечных фермах аналогичные , предложенным к пустыне Мохаве в Южной Калифорнии и, как правило включают в себя тепловой механизм преобразования в качестве части их конструкции, который предоставляет еще одну возможность, чтобы помочь ФУТЭ для выработки электроэнергии, а также свести к минимуму затраты на соединение с существующими технологиями.

Милош рассчитывает, что ФУТЭ процесс может достичь до 50 процентов КПД и более, а в сочетании с тепловым циклом, может достичь 55 или даже 60 процентов, что почти в три раза КПД существующих систем.

Группа хочет сделать конструкцию устройства такой, чтобы его можно было легко крепить болтами на существующие системы, что сделает преобразование энергии относительно недорогим.

Исследователи использовали полупроводник нитрид галлия для "доказательство концепции 'испытаний. КПД который они достигли был значительно ниже, который они ожидали. Но они использовали нитрида галлия, потому что это единственный материал, который показал признаки возможности выдержать высокие температуры они были заинтересованы.

Выбрав правильный материал, скорее всего, такой полупроводник, как арсенид галлия, который используется в целом ряде общих бытовой электронной аппаратуры, фактическая эффективность этого процесса может достигать до 50 или 60 процентов считают исследователи рассчитали. Они уже изучают другие материалы, которые могут работать.

Еще одно преимущество ФУТЭ - системы является то, что, используя его в солнечных концентраторов, количество полупроводниковых материалов, необходимых для устройства, очень мало.

"Для каждого устройства, мы вырезаем 6-дюймовые пластины из материала и это все, что требуется", говорит Милош. "Таким образом, материальные затраты в этом на самом деле не является проблемой для нас, в отличие от больших панелей солнечных кремниевых батарей".

Стоимость материалов является одним из сдерживающих факторов в развитии солнечной энергетики, тем самым сократить объем капитальных вложений, необходимых для создания солнечных электростанций большой шаг вперед.