ARTICLES ABOUT FLUX GEN ERA TOR
Сокращение теплопотерь и увеличение улавливания энергии солнечными элементами имеет решающее значение для глобального освоения солнечной энергии.
Количество радиации, которую Солнце доставляет на поверхность Земли за один час, могло бы обеспечить весь мир электроэнергией в течение года. Однако, чтобы использовать весь потенциал солнечной энергии, ученые должны сначала преодолеть некоторые критические пробелы в производительности, чтобы преобразовывать солнечный свет в полезную электроэнергию. Новое исследование исследователей из Института квантовой материи Стюарта Блюссона, опубликованное недавно в журнале Nature Communications , предлагает теоретическую основу и понимание того, как полупроводники могут использоваться для эффективного преобразования энергии с использованием механизма термоэлектронной эмиссии.
Глобальный спрос на энергию растет в то время, когда получение энергии из источников ископаемого топлива продолжает наносить вред окружающей среде. На протяжении десятилетий исследователи искали более чистые и возобновляемые формы энергии, и в течение долгого времени фотоэлектрические (PV) солнечные элементы, подобные тем, которые используются в солнечных панелях, были на переднем крае улавливания солнечной энергии. Фотоэлектрические устройства эффективны, но коммерческие солнечные панели обеспечивают эффективность лишь около 20%, теряя значительную часть энергии в виде тепла. Потеря тепла означает, что устройство не производит столько электроэнергии; тепло также приводит к более быстрому снижению производительности устройства.
Возможность перехода к чистым, возобновляемым формам энергии на глобальном уровне является более актуальной, чем когда-либо, и исследователи на протяжении десятилетий пытались повысить эффективность существующих технологий сбора солнечной энергии, включая фотоэлектрические. Альтернативный подход — термоэлектронное преобразование энергии — механизм, дополняющий фотоэлектрическую энергетику и способный использовать тепло, известен исследователям уже более века.
Термоэлектронная эмиссия основана на нагреве материала до очень высоких температур, в результате чего он испускает электроны. В 2010 году исследовательская группа из Стэнфордского университета предложила интересный метод использования оптического возбуждения солнечными фотонами для усиления термоэлектронного преобразования энергии: их идея заключалась в том, чтобы использовать как квантовую, так и тепловую природу солнечных фотонов, превратив проблему в пользу, чтобы максимизировать энергию, улавливаемую солнечными элементами.
Как и в фотоэлектрических солнечных элементах, термоэмиссионный преобразователь энергии с фотонным усилением может генерировать электричество, но, что особенно важно, он использует энергию солнечных фотонов, которая теряется в виде тепла в фотоэлектрическом устройстве. Несмотря на многообещающий характер этого подхода, он еще не превзошел существующие фотоэлектрические солнечные элементы по производительности в экспериментальных исследованиях.
Исследование Blusson QMI, проведенное Эхсануром Рахманом, ученым Ванье и кандидатом наук на факультете электротехники и вычислительной техники (ECE), продемонстрировало, что, хотя идея усиленной фотонами термоэлектронной эмиссии выглядит многообещающей, у этого подхода к энергетике все еще существуют критические ограничения. конверсия.
Работа полупроводникового термоэмиссионного солнечного элемента. Слева: схема работы термоэмиссионного солнечного преобразователя. Справа: простая зонная диаграмма полупроводникового термоэмиссионного солнечного элемента. Источник изображения: www.nature.com/articles/s41467-021-24891-2#Рис1 .
Помимо инженерных проблем, это новое исследование показывает, что существует пробел в нашем фундаментальном понимании механизма работы этого нового солнечного элемента. До сих пор исследователи предполагали, что эффект усиления фотонов (который может повысить эффективность термоэлектронной эмиссии за счет дальнейшего снижения вакуумного барьера для электронов) можно считать само собой разумеющимся в солнечном элементе этого типа; Рахман и Алиреза Нодже , главный исследователь Blusson QMI и профессор кафедры электротехники и вычислительной техники, демонстрируют, что эффект усиления фотонов не всегда может происходить так, как ожидалось.
«Реалистичный потенциал этой новой концепции солнечных батарей ограничен несколькими фундаментальными механизмами потерь», — сказал Рахман. «Мы считаем, что наши результаты могут пролить свет на работу этого подхода к преобразованию солнечной энергии и облегчить разработку эффективного термоэмиссионного солнечного элемента, который однажды сможет превзойти свой фотоэлектрический аналог».
Читать далее:
Рахман Э., Нодже А. Полупроводниковая термоэмоника для солнечных элементов следующего поколения: усиленная фотонами или чистая термоэмоника? Nat Commun 12, 4622 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-24891-2 Использование теплопотерь с помощью термоэлектроники (журнал PV, 10 августа)
