Een nieuwe benadering voor het oogsten van zonne-energie, ontwikkeld door MIT-onderzoekers, zou de efficiëntie kunnen verbeteren door zonlicht te gebruiken om een ​​materiaal op hoge temperatuur te verwarmen waarvan de infraroodstraling dan zou worden opgevangen door een conventionele fotovoltaïsche cel. Deze techniek kan het ook gemakkelijker maken om de energie op te slaan voor later gebruik, zeggen de onderzoekers.

In dit geval, het toevoegen van de extra stap verbetert de prestaties, omdat het het mogelijk maakt om te profiteren van golflengten van licht die normaal verloren gaan. Het proces wordt beschreven in een artikel dat deze week in het tijdschrift is gepubliceerd Natuur Nanotechnologie , geschreven door afgestudeerde student Andrej Lenert, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde Evelyn Wang, natuurkunde professor Marin Soljačić, hoofdonderzoeker Ivan Celanović, en drie anderen.

Een conventionele op silicium gebaseerde zonnecel "maakt niet gebruik van alle fotonen, " legt Wang uit. Dat komt omdat het omzetten van de energie van een foton in elektriciteit vereist dat het energieniveau van het foton overeenkomt met dat van een kenmerk van het fotovoltaïsche (PV) materiaal dat een bandgap wordt genoemd. Silicium's bandgap reageert op vele golflengten van licht, maar mist vele anderen.

Om die beperking aan te pakken, het team plaatste een tweelaags absorber-emitter-apparaat - gemaakt van nieuwe materialen, waaronder koolstofnanobuizen en fotonische kristallen - tussen het zonlicht en de PV-cel. Dit intermediaire materiaal verzamelt energie uit een breed spectrum van zonlicht, opwarmen in het proces. Als het warm wordt, als bij een stuk ijzer dat roodgloeiend gloeit, het zendt licht uit met een bepaalde golflengte, die in dit geval is afgestemd op de bandgap van de PV-cel die in de buurt is gemonteerd.

Dit basisconcept wordt al enkele jaren verkend, aangezien dergelijke thermofotovoltaïsche zonne-energiesystemen (STPV) in theorie een manier zouden kunnen bieden om een ​​theoretische limiet op de energieconversie-efficiëntie van op halfgeleiders gebaseerde fotovoltaïsche apparaten te omzeilen. die limiet, de Shockley-Queisser-limiet genoemd, legt een limiet van 33,7 procent op dergelijke efficiëntie, maar Wang zegt dat met TPV-systemen, "de efficiëntie zou aanzienlijk hoger zijn - het zou idealiter meer dan 80 procent kunnen zijn."

Er zijn veel praktische obstakels geweest om dat potentieel te realiseren; eerdere experimenten waren niet in staat om een ​​STPV-apparaat te produceren met een efficiëntie van meer dan 1 procent. Maar Lenert, Wang, en hun team hebben al een eerste testapparaat geproduceerd met een gemeten efficiëntie van 3,2 procent, en ze zeggen dat ze met verder werk verwachten 20 procent efficiëntie te kunnen bereiken - genoeg, ze zeggen, voor een commercieel levensvatbaar product.

Het ontwerp van het tweelaagse absorber-emitter-materiaal is de sleutel tot deze verbetering. Zijn buitenste laag, tegen het zonlicht aankijken, is een reeks meerwandige koolstofnanobuizen, die zeer efficiënt de energie van het licht absorbeert en omzet in warmte. Deze laag is stevig gebonden aan een laag van een fotonisch kristal, die precies zo is ontworpen dat wanneer het wordt verwarmd door de aangehechte laag nanobuisjes, het "gloeit" met licht waarvan de piekintensiteit meestal boven de bandgap van de aangrenzende PV ligt, ervoor te zorgen dat het grootste deel van de energie die door de absorber wordt verzameld, vervolgens wordt omgezet in elektriciteit.

In hun experimenten, de onderzoekers gebruikten gesimuleerd zonlicht, en ontdekte dat zijn maximale efficiëntie kwam toen de intensiteit gelijk was aan een focussysteem dat zonlicht met een factor 750 concentreert. Dit licht verwarmde de absorber-emitter tot een temperatuur van 962 graden Celsius.

Dit concentratieniveau is al veel lager dan bij eerdere pogingen tot STPV-systemen, die het zonlicht met een factor van enkele duizenden concentreerde. Maar de MIT-onderzoekers zeggen dat na verdere optimalisatie, het zou mogelijk moeten zijn om dezelfde soort verbetering te krijgen bij nog lagere zonlichtconcentraties, waardoor de systemen eenvoudiger te bedienen zijn.

Een dergelijk systeem, het team zegt, combineert de voordelen van fotovoltaïsche zonnesystemen, die zonlicht direct omzetten in elektriciteit, en thermische zonne-installaties, wat een voordeel kan zijn bij vertraagd gebruik omdat warmte gemakkelijker kan worden opgeslagen dan elektriciteit. De nieuwe thermofotovoltaïsche zonne-energiesystemen, ze zeggen, zou efficiëntie kunnen bieden vanwege hun breedbandabsorptie van zonlicht; schaalbaarheid en compactheid, omdat ze gebaseerd zijn op bestaande chipproductietechnologie; en gemak van energieopslag, vanwege hun afhankelijkheid van warmte.

Sommige manieren om het systeem verder te verbeteren zijn vrij eenvoudig. Sinds de tussenfase van het systeem, de absorber-emitter, afhankelijk van hoge temperaturen, de grootte is cruciaal:hoe groter een object, hoe minder oppervlakte het heeft in verhouding tot het volume, dus warmteverliezen nemen snel af met toenemende omvang. De eerste tests werden gedaan op een chip van 1 centimeter, maar vervolgtesten zullen worden gedaan met een chip van 10 centimeter, ze zeggen.