UC Berkeley -forskare slog precis ett nytt rekord i fotovoltaisk effektivitet, en prestation som kan leda till en ultralätt motor som kan driva drönare i flera dagar.

Under de senaste 15 åren har effektiviteten att omvandla värme till el med termovoltaik har stannat till 23 procent. Men en banbrytande fysisk insikt har gjort det möjligt för forskare att höja denna effektivitet till 29 procent. Med hjälp av en ny design, forskarna siktar nu på att nå 50 procents effektivitet inom en snar framtid genom att tillämpa väletablerade vetenskapliga koncept.

Detta genombrott har stora konsekvenser för teknik som för närvarande förlitar sig på tunga batterier för kraft. Termofotovoltaik är en ultralätt alternativ strömkälla som kan tillåta drönare och andra obemannade flygfordon att fungera kontinuerligt i flera dagar. Det kan också användas för att driva djupa rymdsonder i århundraden och så småningom ett helt hus med en generator i storlek på ett kuvert.

Deras arbete beskrevs i en tidning som publicerades i veckan i Förfaranden från National Academy of Sciences .

"Termofotovoltaik är kompakt och extremt effektiv för ett brett spektrum av applikationer, från dem som kräver så lite som 100 watt, [till exempel] ett lätt obemannat flygfordon, till 100 megawatt, [tillhandahåller] el för 36, 000 hem. I jämförelse, ett 100 megawatt kraftverk med kombinerad cykel är massivt, "sa Eli Yablonovitch, professor i elektroteknik och datavetenskap (EECS) och motsvarande författare på pappret.

Enligt Yablonovitch, detta fynd bygger på arbete som han och studenter publicerade 2011, som fann att nyckeln till att öka solcellens effektivitet inte var genom att absorbera fler fotoner (ljus) utan att avge dem. Genom att lägga till en högreflekterande spegel på baksidan av en fotovoltaisk cell, de slog effektivitetsrekord vid den tiden och har fortsatt att göra det med efterföljande forskning.

Grafitband (glödande stång) som värmer den termofotovoltaiska cellen som sitter under den. (Foto av Luis M. Pazos Outόn, UC Berkeley)

"Spegeln gör är att skapa en tät infraröd självlysande fotongas i solcellen, ett fenomen som tillför spänning, sa Yablonovitch.

Nyligen, hans team insåg att denna spegel kunde tjäna dubbel tjänst. Faktiskt, det löser en av de största utmaningarna inom termofotovoltaik:hur man utnyttjar de termiska (värme) fotoner som har för lite energi för att producera el. Det visar sig att spegeln kan reflektera de små fotonerna för att värma upp den termiska källan, ger en andra chans för en högenergifoton att skapas och generera elektricitet. Detta fenomen leder till en effektivitet utan motstycke.

"Vi har uppnått detta rekordresultat trots att vi bara använder en enkel guldspegel. Nu, vi lägger till ett dielektriskt lager ovanför guldet, och det kommer att förbättra vår effektivitet till 36 procent, "sa Luis M. Pazos Outόn, en postdoktor i EECS och en av de främsta författarna till uppsatsen.

"Bara genom att öka reflektiviteten, vi kommer att få 36 procent effektivitet. Men genom att göra andra tweaks till cellen, använda beprövade tekniker i den vetenskapliga litteraturen, vi vet att vi kan uppnå 50 procents effektivitet, "sa Zunaid Omair, doktorandforskare i EECS och första författare på pappret. "Innan vårt resultat, termofotovoltaisk verkningsgrad hade stannat vid 23 procent under lång tid, så att få från 23 till 29 procent är en riktigt stor grej. "