Версия для слабовидящих
Керамика обещает резко поднять КПД термофотоэлектрических элементов Печать Email
Новости науки
18.10.2013
Обычная солнечная батарея на кристаллическом кремнии в силу его запрещённой зоны преобразует свет, относящийся к ближнему ИК-излучению. Остальное фотоэлемент теряет. А «избыток» видимого излучения просто перегревает кремниевые фотоэлементы, снижая их эффективность. В теории обычный однослойный фотоэлемент такого типа не может иметь КПД выше 34%, хотя на практике этот показатель в лучшем случае на 10% ниже. Причина очевидна: он просто «швыряется» солнечным излучением. Откуда же взяться высокому КПД?

Впрочем, существуют термофотоэлектрические устройства, созданные специально для решения этой проблемы. В них солнечный свет попадает не прямо на фотоэлемент, а на промежуточный компонент, состоящий из поглотителя излучения, нагревающегося на солнце, и излучателя, который при нагреве испускает в ИК-диапазоне. Именно ИК-излучение оказывается на полупроводнике, где и превращается в электричество.

Вверху: незащищённые фотонные кристаллы на основе вольфрама после нагрева в значительной степени разрушены. Внизу: покрытие на базе диборида гафния защитило фотонные кристаллы при нагреве до 1 400 °С. (Здесь и ниже иллюстрации Kevin Arpin.)


«В сущности, мы просто "ушиваем" свет до другой длины волны — той, что идеальна для солнечной батареи, — поясняет Шаньхуэй Фань (Shanhui Fan) из Стэнфордского университета (США), один из ведущих разработчиков таких систем. — Это поднимает теоретическую эффективность батарей до 80%...»

Да, вы не ослышались — до 80%. Иными словами, теоретически это предельно эффективный подход с огромным потенциалом. Нынешние кремниевые фотоэлементы — становой хребет солнечной энергетики — обычно имеют лишь 20% КПД. Но как добиться этих удивительных 80% на практике?

Пока термофотоэлектрические системы достигли лишь 8%, и причины этого очевидны. Компоненты-посредники, призванные при нагревании испускать ИК-излучение, обычно сделаны из вольфрама, играющего аналогичную роль в лампах накаливания.

Такой материал должен быть организован в сложную трёхмерную наноструктуру (фотонный кристалл), позволяющую эффективно переизлучать в ИК-диапазоне. Однако ранее такие материалы при нагреве до 1 000 °С разрушались. Между тем нагрев промежуточных элементов должен быть как минимум не ниже этой цифры — а в идеале значительно выше.

В этот раз исследователи во главе с Полом Брауном (Paul Braun) из Иллинойсского университета в Урбане и Шампейне (США) заключили наноструктуры из вольфрама в оболочку из диборида гафния (керамика) и затем подвергли их нагреву до тысячи градусов на протяжении двенадцати часов (более длительный солнечный нагрев солнечным батареям не грозит). Более того, даже нагрев до 1 400 °С не нарушил их внутреннюю структуру при длительности рабочего цикла в один час.

«Эти результаты беспрецедентны, — без лишней скромности замечает Кевин Арпин (Kevin Arpin), ведущий автор работы. — Мы показали, что керамика может продвинуть и термофотоэлектрические элементы, и другие актуальные области исследований, такие как получение электроэнергии от низкопотенциального тепла [сейчас теряемого электростанциями], высокотемпературный катализ и электрохимическое хранение энергии».

Браун и Фань намерены испытать другие керамические материалы в разрабатываемых ими термофотоэлектрических элементах, чтобы выяснить, насколько такие экспериментальные ИК-излучатели эффективны в работающей солнечной батарее. И уже сейчас, в начале этого пути, учёные полны оптимизма. «Мы показали, что "перекраивание" оптических возможностей при высоких температурах вполне реально, — говорит Пол Браун. — Гафний и вольфрам — широко распространённые дешёвые материалы, а техпроцессы изготовления теплостойких ИК-излучателей хорошо отработаны».

Структура нового композитного материала излучателя под микроскопом.


И действительно, количество диоксида гафния и вольфрама, необходимое для одного термофотоэлектрического элемента, сравнительное невелико, и новый материал вполне способен открыть у возобновляемой энергоотрасли второе дыхание.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Nature Communications.

Источник - http://compulenta.computerra.ru/veshestvo/materialovedenie/10009573/

 

Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта