De grote uitvinder Thomas Edison zei ooit:"Zolang de zon schijnt, zal de mens in staat zijn om macht in overvloed te ontwikkelen." Hij was niet de eerste grote geest die zich verwonderde over het idee om de kracht van de zon te benutten; Eeuwenlang hebben uitvinders nagedacht en geperfectioneerd hoe zonne-energie kan worden geoogst.

Ze hebben geweldig werk geleverd met fotovoltaïsche cellen, die zonlicht direct omzetten in energie. En toch, met al het onderzoek, de geschiedenis en de wetenschap erachter, zijn er grenzen aan de hoeveelheid zonne-energie die kan worden geoogst en gebruikt - aangezien de opwekking ervan alleen overdag is.

Een professor aan de Universiteit van Houston zet de historische zoektocht voort en rapporteert over een nieuw type systeem voor het oogsten van zonne-energie dat het efficiëntierecord van alle bestaande technologieën verbreekt. Niet minder belangrijk, het maakt de weg vrij om 24/7 zonne-energie te gebruiken.

"Met onze architectuur kan de efficiëntie van het oogsten van zonne-energie worden verbeterd tot de thermodynamische limiet", rapporteren Bo Zhao, Kalsi-assistent-professor werktuigbouwkunde en zijn promovendus Sina Jafari Ghalekohneh in het tijdschrift Physical Review Applied . De thermodynamische limiet is het absoluut maximaal theoretisch mogelijke omzettingsrendement van zonlicht in elektriciteit.

Het vinden van efficiëntere manieren om zonne-energie te benutten is van cruciaal belang voor de overgang naar een koolstofvrij elektriciteitsnet. Volgens een recente studie van het Amerikaanse Department of Energy Solar Energy Technologies Office en het National Renewable Energy Laboratory, zou zonne-energie tegen 2035 wel 40% van de elektriciteitsvoorziening van het land kunnen uitmaken en tegen 2050 45%, in afwachting van agressieve kostenbesparingen, ondersteunende beleid en grootschalige elektrificatie.

Hoe werkt het?

Traditionele thermofotovoltaïsche zonne-energie (STPV) is afhankelijk van een tussenlaag om zonlicht aan te passen voor een betere efficiëntie. De voorzijde van de tussenlaag (de zijde die naar de zon is gericht) is ontworpen om alle fotonen die van de zon komen te absorberen. Op deze manier wordt zonne-energie omgezet in thermische energie van de tussenlaag en stijgt de temperatuur van de tussenlaag.

Maar de thermodynamische efficiëntielimiet van STPV's, die lang werd beschouwd als de blackbody-limiet (85,4%), is nog steeds veel lager dan de Landsberg-limiet (93,3%), de ultieme efficiëntielimiet voor het oogsten van zonne-energie.

"In dit werk laten we zien dat het efficiëntietekort wordt veroorzaakt door de onvermijdelijke terugstraling van de tussenlaag naar de zon als gevolg van de wederkerigheid van het systeem. We stellen niet-wederkerige STPV-systemen voor die gebruik maken van een tussenlaag met niet-wederkerige stralingseigenschappen," zei Zhao. "Zo'n niet-wederkerige tussenlaag kan zijn terugstraling naar de zon aanzienlijk onderdrukken en meer fotonenflux naar de cel leiden. We laten zien dat met een dergelijke verbetering het niet-wederkerige STPV-systeem de Landsberg-limiet kan bereiken, en praktische STPV-systemen met fotovoltaïsche enkelvoudige junctie cellen kunnen ook een aanzienlijke efficiëntieslag ervaren."

Naast een verbeterde efficiëntie beloven STPV's compactheid en inzetbaarheid (elektriciteit die op vraag kan worden geprogrammeerd op basis van marktbehoeften).

In een belangrijk toepassingsscenario kunnen STPV's worden gekoppeld aan een zuinige WKO-eenheid om 24/7 elektriciteit op te wekken.

"Ons werk benadrukt het grote potentieel van niet-reciproke thermische fotonische componenten in energietoepassingen. Het voorgestelde systeem biedt een nieuwe weg om de prestaties van STPV-systemen aanzienlijk te verbeteren. Het kan de weg vrijmaken voor de implementatie van niet-wederkerige systemen in praktische STPV-systemen die momenteel worden gebruikt in energiecentrales," zei Zhao. + Verder verkennen

Tijdomkeringsasymmetrie overtreft de conversie-efficiëntielimiet voor zonnecellen