En ny metod för att skörda solenergi, utvecklad av MIT-forskare, skulle kunna förbättra effektiviteten genom att använda solljus för att värma ett högtemperaturmaterial vars infraröda strålning sedan skulle samlas upp av en konventionell solcell. Denna teknik kan också göra det lättare att lagra energin för senare användning, säger forskarna.

I detta fall, att lägga till det extra steget förbättrar prestandan, eftersom det gör det möjligt att dra nytta av våglängder av ljus som vanligtvis går till spillo. Processen beskrivs i en artikel som publicerades denna vecka i tidskriften Naturens nanoteknik , skriven av doktoranden Andrej Lenert, docent i maskinteknik Evelyn Wang, fysikprofessor Marin Soljačić, huvudforskaren Ivan Celanović, och tre andra.

En konventionell kiselbaserad solcell "utnyttjar inte alla fotoner, " Wang förklarar. Det beror på att omvandlingen av en fotons energi till elektricitet kräver att fotonens energinivå matchar den hos en egenskap hos det fotovoltaiska (PV) materialet som kallas ett bandgap. Silikonets bandgap reagerar på många våglängder av ljus, men saknar många andra.

För att komma till rätta med den begränsningen, teamet infogade en tvålagers absorber-emitter-enhet – gjord av nya material inklusive kolnanorör och fotoniska kristaller – mellan solljuset och PV-cellen. Detta mellanmaterial samlar energi från ett brett spektrum av solljus, värms upp under processen. När det värms upp, som med en bit järn som lyser glödhet, den sänder ut ljus med en viss våglängd, som i detta fall är avstämd för att matcha bandgapet för PV-cellen som är monterad i närheten.

Detta grundläggande koncept har utforskats i flera år, i teorin skulle sådana termofotovoltaiska solsystem (STPV) kunna ge ett sätt att kringgå en teoretisk gräns för energiomvandlingseffektiviteten för halvledarbaserade fotovoltaiska enheter. Den gränsen, kallas Shockley-Queisser-gränsen, sätter ett tak på 33,7 procent för sådan effektivitet, men Wang säger att med TPV-system, "effektiviteten skulle vara betydligt högre - den skulle helst kunna vara över 80 procent."

Det har funnits många praktiska hinder för att förverkliga den potentialen; tidigare experiment har inte kunnat producera en STPV-enhet med en effektivitet på mer än 1 procent. Men Lenert, Wang, och deras team har redan tagit fram en första testenhet med en uppmätt effektivitet på 3,2 procent, och de säger att med ytterligare arbete förväntar de sig att kunna nå 20 procent effektivitet – tillräckligt, de säger, för en kommersiellt gångbar produkt.

Utformningen av tvåskikts absorber-emitter-materialet är nyckeln till denna förbättring. Dess yttre lager, vänd mot solljuset, är en rad flerväggiga kolnanorör, som mycket effektivt absorberar ljusets energi och omvandlar den till värme. Detta skikt är tätt bundet till ett skikt av en fotonisk kristall, som är exakt konstruerad så att när den värms upp av det bifogade lagret av nanorör, den "glöder" med ljus vars toppintensitet mestadels ligger över bandgapet för den intilliggande PV, se till att det mesta av energin som samlas upp av absorbatorn sedan omvandlas till elektricitet.

I sina experiment, forskarna använde simulerat solljus, och fann att dess maximala effektivitet kom när dess intensitet motsvarade ett fokuseringssystem som koncentrerar solljus med en faktor på 750. Detta ljus värmde upp absorbator-emittern till en temperatur på 962 grader Celsius.

Denna koncentrationsnivå är redan mycket lägre än i tidigare försök med STPV-system, som koncentrerade solljuset med en faktor på flera tusen. Men MIT-forskarna säger att efter ytterligare optimering, det borde vara möjligt att få samma typ av förbättring vid ännu lägre solljuskoncentrationer, gör systemen lättare att använda.

Ett sådant system, laget säger, kombinerar fördelarna med solcellssystem, som förvandlar solljus direkt till elektricitet, och solvärmesystem, vilket kan ha en fördel vid försenad användning eftersom värme lättare kan lagras än el. De nya termofotovoltaiska solcellssystemen, de säger, skulle kunna ge effektivitet på grund av deras bredbandsabsorption av solljus; skalbarhet och kompakthet, eftersom de är baserade på befintlig teknik för chiptillverkning; och enkel energilagring, på grund av deras beroende av värme.

Några av sätten att ytterligare förbättra systemet är ganska enkla. Sedan mellanstadiet av systemet, absorbator-emitter, förlitar sig på höga temperaturer, dess storlek är avgörande:Ju större föremål, ju mindre yta den har i förhållande till volymen, så värmeförlusterna minskar snabbt med ökande storlek. De första testerna gjordes på ett 1-centimeters chip, men uppföljningstester kommer att göras med ett 10-centimeters chip, de säger.