(a) Illustration av traditionell STPV och (b) icke-ömsesidig STPV. Absorbatorn av traditionell STPV har bakstrålning mot solen. I icke-reciprok STPV undertrycks den bakre emissionen från det mellanliggande lagret, och mer inkommande energi riktas mot cellen. Det icke-reciproka beteendet hos det mellanliggande skiktet kan göras våglängdsselektivt. Kredit:Sina Jafari Ghalekohneh et al, Physical Review Applied (2022). DOI:10.1103/PhysRevApplied.18.034083
Den store uppfinnaren Thomas Edison sa en gång:"Så länge solen skiner kommer människan att kunna utveckla kraft i överflöd." Han var inte det första stora sinnet som förundrades över idén om att utnyttja solens kraft; i århundraden har uppfinnare funderat på och fulländat sättet att skörda solenergi.
De har gjort ett fantastiskt jobb med fotovoltaiska celler, som omvandlar solljus direkt till energi. Och fortfarande, med all forskning, historia och vetenskap bakom det, finns det gränser för hur mycket solenergi som kan skördas och användas – eftersom dess produktion är begränsad till dagtid.
En professor vid University of Houston fortsätter det historiska uppdraget och rapporterar om en ny typ av solenergiskördssystem som slår effektivitetsrekordet för all befintlig teknik. Inte mindre viktigt, det rensar vägen för att använda solenergi 24/7.
"Med vår arkitektur kan solenergins utvinningseffektivitet förbättras till den termodynamiska gränsen", rapporterar Bo Zhao, Kalsi biträdande professor i maskinteknik och hans doktorand Sina Jafari Ghalekohneh i tidskriften Physical Review Applied . Den termodynamiska gränsen är den absolut maximala teoretiskt möjliga omvandlingseffektiviteten för solljus till elektricitet.
Att hitta mer effektiva sätt att utnyttja solenergi är avgörande för övergången till ett kolfritt elnät. Enligt en nyligen genomförd studie från U.S. Department of Energy Solar Energy Technologies Office och National Renewable Energy Laboratory kan solenergi stå för så mycket som 40 % av landets elförsörjning år 2035 och 45 % år 2050, i väntan på aggressiva kostnadsminskningar, stödjande politik och storskalig elektrifiering.
Hur fungerar det?
Traditionell termofotovoltaik (STPV) förlitar sig på ett mellanskikt för att skräddarsy solljus för bättre effektivitet. Framsidan av det mellanliggande lagret (sidan som vetter mot solen) är utformad för att absorbera alla fotoner som kommer från solen. På så sätt omvandlas solenergin till termisk energi i mellanskiktet och höjer temperaturen i mellanskiktet.
Men den termodynamiska effektivitetsgränsen för STPV, som länge har ansetts vara svartkroppsgränsen (85,4 %), är fortfarande mycket lägre än Landsbergs gräns (93,3 %), den ultimata effektivitetsgränsen för solenergiskörd.
"I detta arbete visar vi att effektivitetsunderskottet orsakas av den oundvikliga tillbakaemissionen från det mellanliggande skiktet mot solen till följd av systemets ömsesidighet. Vi föreslår icke-reciproka STPV-system som använder ett mellanskikt med icke-reciproka strålningsegenskaper", säger Zhao. "Ett sådant icke ömsesidigt mellanskikt kan avsevärt undertrycka dess bakre emission till solen och kanalisera mer fotonflöde mot cellen. Vi visar att med en sådan förbättring kan det icke ömsesidiga STPV-systemet nå Landsbergs gräns, och praktiska STPV-system med enkelövergångs solceller celler kan också uppleva en betydande effektivitetsökning."
Förutom förbättrad effektivitet lovar STPV:er kompakthet och leveransbarhet (el som kan programmeras på efterfrågan baserat på marknadens behov).
I ett viktigt tillämpningsscenario kan STPV:er kopplas till en ekonomisk lagringsenhet för värmeenergi för att generera elektricitet 24/7.
"Vårt arbete belyser den stora potentialen hos icke-reciproka termiska fotoniska komponenter i energitillämpningar. Det föreslagna systemet erbjuder en ny väg för att förbättra prestanda hos STPV-system avsevärt. Det kan bana väg för icke-ömsesidiga system som kan implementeras i praktiska STPV-system som för närvarande används i kraftverk", sa Zhao. + Utforska vidare
