Горячая фотоячейка тянет электроны из коктейля света и жара
Для действенного получения энергии от Солнца прекрасно бы сплавить две технологии. О возможностях новации додуматься нетрудно.
Но для этого каким-то чудесным образом необходимо совместить в одном материале противоречивые особенности. И что ещё тяжелее – вынудить трудиться в одной упряжке разнородные физические процессы.
Ответ данной головоломки было обнаружено пару дней назад.
Николас Мелош (Nicholas A. Melosh) и его коллеги из Стэнфорда представили разработку называющиеся «Фотонно-расширенная термоионная эмиссия» (photon-enhanced thermionic emission — PETE). В силу относительной высокой эффективности и дешевизны материалов процесса она возможно может поспорить в цене приобретаемой энергии с нефтью, — информируют американцы.
на данный момент существуют два магистральных направления в преобразовании солнечного света в электричество. Первый — тепловой, при котором зеркала-концентраторы нагревают теплоноситель, передающий энергию паровой турбине либо стирлингу.
Второй — «квантовый», другими словами имеется в виду прямая конверсия фотонов в ток при помощи полупроводника. Объединение этих правил в одном устройстве заманчиво с позиций КПД, но до сих пор оно было несбыточной мечтой.
«Это вправду концептуальный прорыв, новый процесс преобразования энергии, а не только новый материал либо пара иные настройки, – заявил Мелош в пресс-релизе Стэнфорда. – Это принципиально хороший метод, каким вы имеете возможность собирать урожай энергии». За учёным видна вакуумная камера, в которой исследователи испытывали прибор (фото L. A. Cicero).
Поясним. Неприятность содержится в разных температурах, при которых трудятся вышеупомянутые устройства.
КПД тепловых автомобилей тем выше, чем горячее их территория нагрева («печка», какого именно бы типа она ни была), а вот фотогальванические ячейки, наоборот, решительно отказываются действующий при перегреве.
Неудивительно, что в очень перспективных фотоэлектрических панелях с высокой степенью концентрации света одним из наиболее значимых элементов есть широкий радиатор, не разрешающий полупроводнику «изжариться». А вдруг однако попытаться снимать бросовое тепло с фотоэлектрической ячейки — толку от таковой добавки окажется весьма мало.
В зависимости от температуры в новом материале смогут господствовать фотоэмиссия электронов, эмиссия типа PETE либо термоэмиссия.
Это в теории. Но на практике территория с очень большими температурами недостижима, а вот умеренно тёплая «полоса» (пара сот градусов) – совершенна для нового прибора (иллюстрация Jared W. Schwede et al./Nature Materials).
В PETE диковинные фототермоэлектрические ячейки действующий при высокой температуре. К примеру, в случае если кремниевые элементы совсем сдаются при нагреве до 100 °C, новый преобразователь превосходно действует более чем при 200 градусах и не откажется от предстоящего нагрева.
Кроме того 800 °C, достигаемые в фокусе зеркал-концентраторов, для нового преобразователя — здоровая рабочая ситуация.
База данных чудо-пластинок — нитрид галлия. Ранее он продемонстрировал, что готов действующий при приличном перегреве в разных типах полупроводниковых устройств, но в этом случае дело не в замене вещества.
Сам принцип работы новых ячеек — свеж.
Его, не обращая внимания на похожее наименование, не нужно путать с очевидной термофотоэлектрической генерацией, в которой энергия претерпевает последовательность последовательных преобразований. В новом проекте речь заходит о «твердотельной» выработке тока при одновременном захвате и света и «жара», поставляемых солнечными лучами.
Для для того чтобы трюка физики покрыли нитрид галлия узким слоем цезия, взяв катод, в котором происходит термоэмиссия фотовозбуждённых электронов. Красота способа в том, что именно суммирование подпитки от падающих фотонов и от тепла тёплого полупроводника разрешает электронам в нём перепрыгивать запрещённую территорию и создавать ток в нагрузке.
a – энергетическая диаграмма PETE. Фотовозбуждение увеличивает электронное население территории проводимости, потом увеличивая и термический электронный ток. b – неспециализированная схема прибора (иллюстрация Jared W. Schwede et al./Nature Materials).
Авторы совокупности выстроили опытный образец, продемонстрировав, что мощность ячейки положительно зависит от её температуры, соответственно, термическая составляющая вправду подключается к фотоэффекту. Но на этом преимущества изобретения не заканчиваются.
Уже один обработанный полупроводник разрешает, как мы видим, с пользой поглощать большую часть падающего света. А ведь в силу большой температуры прибора к нему ещё возможно пристыковать теплообменник с жидкостью, которая бы переносила излишки тепла к хорошей тепловой машине.
Николас Мелош посчитал, что идеализированная пластинка PETE в одиночку может достигнуть КПД около 40-50% (в опыте с первым настоящим образом, действительно, показатель был заметно ниже). А уж будучи дополненной тепловой машиной, такая установка способна довести собственный суммарный КПД до 55-60%.
Это уже заметно выше параметра любых известных совокупностей: доведённая до ума батарея PETE имела возможность бы обойти по эффективности и лучшие однопереходные и рекордные трёхпереходные фотоэлектрические панели, и самые действенные тепловые преобразователи солнечного света.
a – схема потоков энергии в комбинированной (тандемной) совокупности. b – КПД PETE-совокупности (отложен по вертикали) в зависимости от величины запрещённой территории исходного полупроводника (по горизонтали, электрон-вольты). светло синий кривая – фотоячейка PETE сама по себе, красная – она же, дополненная тепловой машиной (другими словами тандем) (иллюстрация Jared W. Schwede et al./Nature Materials).
на данный момент несколько Мелоша изучает другие материалы, каковые возможно было бы применить в PETE-ячейке. В частности, учёные собираются испытать в таковой роли арсенид галлия.
Изобретатели отмечают, что потому, что оптимальнее такие батареи будут трудиться под лучами от концентраторов, на каждую установку потребуется совсем маленькое количество полупроводника, что должно сделать совокупность относительно недорогой и конкурентоспособной.
Николас думает: PETE-пластинки кроме того возможно будет интегрировать в уже существующие тепловые солнечные установки, обойдясь минимальным вмешательством в конструкцию последних. Подробности нынешнего изучения возможно отыскать в статье в Nature Materials, а в видеоролике о нём говорит сам Мелош.
