Почти идеальное использование фотонов: как получить электричество из «лишнего» тепла - «Новости Электроники»

Исследователи из Мичиганского университета создали термофотоэлектрический (TPV) элемент, который рассчитан на работу совместно с недорогим накопителем тепловой энергии. Такая TPV ячейка будет интересна коммунальным службам и организациям, занимающимся созданием масштабных хранилищ энергии. Кроме того, устройство может найти применение в беспилотных летательных аппаратах, космических зондах и системах децентрализованного тепло- и электроснабжения. А также оно подходит для получения электричества из отработанного тепла.

Термофотоэлектрический элемент подобен солнечной батарее, но для выработки электроэнергии использует свет не от солнца, а от нагретого тела (излучателя). Разработка американских ученых представляет собой TPV ячейку с фотоэлементами из арсенида галлия-индия с воздушным зазором. Она может превращать в электричество большую часть основного светового спектра от излучателя. При этом ее коэффициент отражения составляет 99%, то есть она является почти идеальным зеркалом.

Для сравнения, у большинства существующих TPV элементов коэффициент отражения составляет 95%, а эффективность лишь немного выше 20%. При этом для нормальной работы им необходим излучатель с температурой от 538 до 1370 °C.

Основная проблема TPV ячеек состоит в том, что многие фотоны, испускаемые излучателем, обладают очень низкой энергией. Они относятся к внеполосному спектру, то есть фотоэлемент не способен преобразовать их в электричество.

Однако ученые нашли способ вернуть такие фотоны обратно в излучатель, чтобы унесенная ими энергия не пропадала. Для этого исследователи разместили под тонкопленочным фотоэлементом металлическое зеркало, а зазор между ними заполнили воздухом.

Зеркало изготовили путем нанесения на кремниевое основание тонкого слоя золота. К нему приварили тонкие полосы из золота, поверх которых закрепили фотоэлемент. Такая конструкция дает возможность легко регулировать величину воздушного зазора, от которой напрямую зависит эффективность отражения фотонов, путем изменения толщины полос золота.

Добавление отражающего слоя и воздушного моста более чем в четыре раза снижает количество фотонов, не поглощаемых фотоэлектрическим элементом, смягчает требования к характеристикам фотоэлемента, что делает возможным применение более дешевых материалов, и позволяет снизить температуру излучателя без потери эффективности. В дополнение ко всему инновационная разработка открывает широкие возможности развития термофотоэлектрической энергетики.

Источник: nature.com