Onderzoekers van UC Berkeley hebben zojuist een nieuw record gebroken in fotovoltaïsche efficiëntie, een prestatie die zou kunnen leiden tot een ultralichte motor die drones dagenlang kan aandrijven.

De afgelopen 15 jaar, het rendement van het omzetten van warmte in elektriciteit met thermovoltaïsche energie is tot stilstand gekomen op 23 procent. Maar dankzij een baanbrekend fysiek inzicht hebben onderzoekers deze efficiëntie kunnen verhogen tot 29 procent. Met behulp van een nieuw ontwerp, de onderzoekers streven nu naar een efficiëntie van 50 procent in de nabije toekomst door gebruik te maken van gevestigde wetenschappelijke concepten.

Deze doorbraak heeft grote gevolgen voor technologieën die momenteel afhankelijk zijn van zware batterijen voor stroomvoorziening. Thermofotovoltaïsche energie is een ultralichte alternatieve stroombron waarmee drones en andere onbemande luchtvaartuigen dagenlang onafgebroken kunnen werken. Het kan ook worden gebruikt om eeuwenlange ruimtesondes van stroom te voorzien en uiteindelijk een heel huis met een generator ter grootte van een envelop.

Hun werk werd beschreven in een artikel dat deze week werd gepubliceerd in Proceedings van de National Academy of Sciences .

"Thermofotovoltaïsche installaties zijn compact en uiterst efficiënt voor een breed scala aan toepassingen, van degenen die slechts 100 watt nodig hebben, [zoals] een lichtgewicht onbemand luchtvaartuig, tot 100 megawatt, [leveren] elektriciteit voor 36, 000 woningen. In vergelijking, een gecombineerde energiecentrale van 100 megawatt is enorm, " zei Eli Jablonovitch, hoogleraar elektrotechniek en informatica (EECS) en corresponderende auteur op het papier.

Volgens Yablonovitch, deze bevinding bouwt voort op werk dat hij en studenten in 2011 publiceerden die ontdekte dat de sleutel tot het verhogen van de efficiëntie van zonnecellen niet was door meer fotonen (licht) te absorberen, maar ze uit te zenden. Door een sterk reflecterende spiegel toe te voegen aan de achterkant van een fotovoltaïsche cel, ze braken destijds efficiëntierecords en zijn dat blijven doen met daaropvolgend onderzoek.

Grafietlint (gloeiende staaf) die de thermofotovoltaïsche cel verwarmt die eronder zit. (Foto door Luis M. Pazos Outόn, UC Berkeley)

"Wat de spiegel doet, is een dicht infrarood lichtgevend fotongas creëren in de zonnecel, een fenomeen dat spanning toevoegt, zei Jablonovitch.

Onlangs, zijn team erkende dat deze spiegel dubbel werk kon doen. In feite, het lost een van de grootste uitdagingen op het gebied van thermofotovoltaïsche energie op:hoe de thermische (warmte)fotonen te exploiteren die te weinig energie hebben om elektriciteit te produceren. Het blijkt dat de spiegel die kleine fotonen kan weerkaatsen om de thermische bron op te warmen, een tweede kans bieden voor het maken van een hoogenergetisch foton en het opwekken van elektriciteit. Dit fenomeen leidt tot ongekende efficiëntie.

"We hebben dit recordbrekende resultaat bereikt, ook al gebruiken we slechts een eenvoudige gouden spiegel. Nu, we voegen een diëlektrische laag toe boven het goud, en dat zal onze efficiëntie verbeteren tot 36 procent, " zei Luis M. Pazos Outόn, een postdoctoraal onderzoeker in EECS en een van de hoofdauteurs van het papier.

"Gewoon door de reflectiviteit te vergroten, we krijgen 36 procent efficiëntie. Maar door andere aanpassingen aan de cel te maken, met behulp van bewezen technieken in de wetenschappelijke literatuur, we weten dat we tot 50 procent efficiëntie kunnen komen, " zei Zunaid Omair, een afgestudeerde student-onderzoeker in EECS en eerste auteur op het papier. "Vóór onze uitslag, thermofotovoltaïsche efficiëntie was lange tijd vastgelopen op 23 procent, dus om van 23 naar 29 procent te komen is echt een groot probleem."