Инновационные солнечные ячейки PETE – собирают не только свет, но и тепло

Солнечная батарея является весьма «зеленым» способом получения электрической энергии. Вот только эффективность средней солнечной панели редко превышает 20% - это означает, что огромная часть солнечной энергии теряется в виде тепла и других форм энергии. Ученые знают об этом и постоянно совершенствуют солнечные панели. Последняя разработка в сфере солнечной энергии предполагает сбор не только света, но и тепла, излучаемого нашим светилом.

Наиболее популярный тип современных солнечных батарей использует фотоэлектрические ячейки. Их работа основана на восприятии фотонов света определенной энергии и сообщения возбуждения их электронам, после чего те устремляются в движение по проводнику, генерируя ток. Такая схема не идеальна и оставляет множество места для последующего улучшения.

Средняя ячейка может собрать не более 20% поступающей на нее солнечной энергии, наиболее продвинутые – не более 40%. В общем, множество фотонов только и ждут, чтобы их «собрали». Проблема кроется в избирательности фотоэлектрических ячеек – часто они ограничены излучением видимого спектра, часть которого отражается, а самые заряженные энергией фотоны теряются в виде тепла.

И тут очень кстати пригождается эффект, носящий название термоэлектронной конвертации энергии (thermionic energy converter, TEC). Конвертеры работают, отправляя электроны от горячего катода к менее нагретому аноду (эта технология была разработана под эгидой NASA и Космической программы СССР). В обычных «комнатных» условиях так сильно нагреть катод, чтобы конвертер начал работать, весьма проблематично, однако в условиях интенсивного прямого солнечного света технология просто-таки расцветает.

Ученые смогли приспособить TEC к нуждам солнечных ячеек, внеся некоторые изменения. Получившаяся технология называется термоэлектронной эмиссией фотонов с повышенной энергией (photon-enhanced thermionic emission, PETE). PETE использует катод и анод так же, как и TEC, однако в случае с PETE катод является полупроводником, а не металлической пластиной. В ячейке PETE солнечная энергия доставляет фотоны только до половины пути, возбуждая их и отправляя на поверхность катода. Когда они доходят до поверхности, то генерируют еще больше энергии, поглощая падающее на панель тепло.

Чтобы дальше не утомлять уважаемых читателей тонкостями процесса, приведем цифры результатов. Стократно сконцентрированная солнечная энергия повышает эффективность PETE-ячеек до 32% (вспомните 20% у обычной ячейки). Увеличение концентрации солнечной энергии в 3000 раз еще больше повышает эффективность PETE, доводя ее до 47%.

Разумеется, есть и минусы. Такую концентрацию солнечной энергии можно получить лишь в самых жарких и сухих областях нашей планеты, либо применив точно настроенные зеркала. В противном случае придется использовать внешний мотор, поддерживающий тепло в катоде – а это уже потеря эффективности. В целом, PETE не ставит каких-то абсолютных и поражающих воображение рекордов, но авторы утверждают, что новая система солнечных ячеек с легкостью превзойдет по эффективности большинство традиционных систем, применяющихся в современных панелях. А если использовать при производстве PETE-ячеек современные наноматериалы, тогда у «классики» вообще не остается никаких шансов.