Зеркальные фотоэлектрические элементы получают больше электроэнергии за счет тепла

Новые «солнечные» элементы, использующие тепло, которые отражают 99% энергии, которую они не могут преобразовать в электричество, могут помочь снизить стоимость хранения возобновляемой энергии в виде тепла, а также сбора отработанного тепла из выхлопных труб и дымоходов.

Приложение для хранения энергии, неофициально известное как «солнце в коробке», хранит дополнительную энергию ветра и солнца в тепловом банке.

«Этот подход к хранению энергии в масштабе сети вызывает всеобщий интерес, потому что, по оценкам, он в десять раз дешевле, чем использование батарей», — сказал Андрей Ленерт, доцент кафедры химической инженерии.

Само «солнце» в этом подходе уже стоит недорого: например, емкость с расплавленным кремнием. Относительно дорогими частями являются фотоэлектрические панели, которые превращают накопленное тепло обратно в электричество.

По сравнению с обычными солнечными панелями, которые превращают свет, а не тепло, в электричество, тепловые фотоэлектрические устройства должны иметь возможность принимать фотоны с более низкой энергией — пакеты света или тепла — потому что источник тепла имеет более низкую температуру, чем солнце. Чтобы максимизировать эффективность, инженеры стремились отразить фотоны со слишком низкой энергией обратно в тепловой банк. Таким образом, энергия реабсорбируется и получает еще один шанс превратиться в производящий электричество фотон с более высокой энергией.

«Это работа по переработке отходов», — сказал Стив Форрест, заслуженный профессор инженерного дела Университета Питера А. Франкена и профессор инженерного дела Пола Г. Гебеля. «Энергия, излучаемая тепловым аккумулятором, имеет более 100 шансов быть поглощенной солнечным элементом, прежде чем она будет потеряна».

Обычный термофотоэлектрический генератор с золотым покрытием отражает 95% света, который он не может поглотить — неплохо, но если 5% света теряется при каждом отражении, этот свет имеет в среднем 20 шансов переизлучиться в фотоне. с достаточным количеством энергии для преобразования в электричество.

Увеличение числа возможностей означает, что потенциально можно использовать более дешевые материалы для солнечных элементов, которые более разборчивы в отношении того, какую энергию фотонов они примут. Это дает дополнительные преимущества: фотоны с более высокой энергией производят электроны с более высокой энергией, что означает более высокие напряжения и меньшие потери энергии при выводе электричества.

Чтобы улучшить отражательную способность, команда добавила слой воздуха между полупроводником — материалом, который преобразует фотоны в электричество — и золотой основой. Золото является лучшим отражателем, если свет попадает на него после полета в воздухе, а не прямо от полупроводника. Чтобы свести к минимуму степень подавления друг друга световых волн, толщина воздушного слоя должна быть аналогична длинам волн фотонов.

Первоначально докторант по электротехнике и информатике Деджиу Фань отказался от работы по созданию такой ячейки. Фан объяснил, что толщина воздушного слоя должна быть очень точной — в пределах нескольких нанометров — для отражения фотонов с более низкой энергией. Более того, хрупкая полупроводниковая пленка имеет толщину всего 1,5 микрометра (0,0015 миллиметра), однако ей необходимо было охватить более 70 микрометров воздуха между золотыми лучами шириной 8 микрометров.

«Вначале было неясно, может ли эта конструкция« воздушного моста »с таким длинным пролетом и без какой-либо механической опоры в середине быть построена с высокой точностью и выдержать несколько жестких производственных процессов», — сказал Фан.

Но он сделал это — и на удивление быстро, сказал Форрест. Фэн, работая с Тобиасом Бургером, докторантом химического машиностроения, и другими сотрудниками положил золотые лучи на полупроводник. Затем они покрыли силиконовую заднюю пластину золотом, чтобы получилось зеркало, и приварили золотые балки к золотой подложке. Таким образом, толщина золотых лучей может точно контролировать высоту воздушного моста, обеспечивая почти идеальное зеркальное отображение.

Ленерт уже рассчитывает повысить эффективность, добавив дополнительные «девятки» к проценту отраженных фотонов. Например, повышение коэффициента отражения до 99,9% даст 1000 шансов превратиться в электричество.

Исследование, опубликованное в Nature , озаглавлено «Почти идеальное использование фотонов в термофотоэлектрической ячейке с воздушным мостом». UM подала заявку на патентную защиту и ищет коммерческих партнеров для вывода технологии на рынок.

Исследование финансировалось Управлением армейских исследований и Национальным научным фондом. Форрест также является профессором электротехники и информатики, материаловедения и инженерии, а также физики. Устройство было построено на Нанофабрике в Лурье.

---

Источник истории:

Материалы предоставлены Мичиганским университетом . Оригинал написан Кейт Макальпайн. Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.

---

Ссылка на журнал :

1. Деджиу Фан, Тобиас Бургер, Шон МакШерри, Бёнджун Ли, Андрей Ленерт, Стивен Р. Форрест. Почти идеальное использование фотонов в термофотоэлектрической ячейке с воздушным мостом . Природа , 2020; DOI: 10.1038 / s41586-020-2717-7