Hoe de energie van de zon te benutten door zowel warmte als licht?

Een nieuwe benadering voor het oogsten van zonne-energie, ontwikkeld door MIT-onderzoekers, zou de efficiëntie kunnen verbeteren door zonlicht te gebruiken om een ​​materiaal op hoge temperatuur te verwarmen waarvan de infraroodstraling dan zou worden opgevangen door een conventionele fotovoltaïsche cel. Deze techniek kan het ook gemakkelijker maken om de energie op te slaan voor later gebruik, zeggen de onderzoekers.

Een nanofotonisch thermofotovoltaïsch apparaat dat bestaat uit een reeks meerwandige koolstofnanobuizen als absorber, een eendimensionaal silicium/siliciumdioxide fotonisch kristal als emitter en een 0,55 eV fotovoltaïsche cel. Foto met dank aan John Freidah.

In dit geval verbetert het toevoegen van de extra stap de prestaties, omdat het mogelijk maakt om te profiteren van golflengten van licht die normaal verloren gaan. Het proces wordt beschreven in een artikel dat deze week in het tijdschrift is gepubliceerd Natuur Nanotechnologie , geschreven door afgestudeerde student Andrej Lenert, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde Evelyn Wang, hoogleraar natuurkunde Marin Soljačić, hoofdonderzoeker Ivan Celanović en drie anderen.

Een conventionele zonnecel op basis van silicium maakt niet gebruik van alle fotonen, legt Wang uit. Dat komt omdat het omzetten van de energie van een foton in elektriciteit vereist dat het energieniveau van het foton overeenkomt met dat van een kenmerk van het fotovoltaïsche (PV) materiaal dat een bandgap wordt genoemd. De bandgap van silicium reageert op veel golflengten van licht, maar mist vele andere.

Om die beperking aan te pakken, heeft het team een ​​​​tweelaags absorber-emitter-apparaat geplaatst - gemaakt van nieuwe materialen, waaronder koolstofnanobuizen en fotonische kristallen - tussen het zonlicht en de PV-cel. Dit tussenmateriaal haalt energie uit een breed spectrum van zonlicht en warmt daarbij op. Wanneer het opwarmt, zoals bij een stuk ijzer dat roodgloeiend gloeit, straalt het licht uit met een bepaalde golflengte, die in dit geval is afgestemd op de bandgap van de nabijgelegen PV-cel.

Dit basisconcept is al enkele jaren onderzocht, aangezien dergelijke thermofotovoltaïsche zonne-energiesystemen (STPV) in theorie een manier zouden kunnen bieden om een ​​theoretische limiet op de energieconversie-efficiëntie van op halfgeleiders gebaseerde fotovoltaïsche apparaten te omzeilen. Die limiet, de Shockley-Queisser-limiet genoemd, legt een limiet op van 33,7 procent voor een dergelijke efficiëntie, maar Wang zegt dat met TPV-systemen de efficiëntie aanzienlijk hoger zou zijn - idealiter zou het meer dan 80 procent kunnen zijn.

Er zijn veel praktische obstakels geweest om dat potentieel te realiseren; eerdere experimenten waren niet in staat om een ​​STPV-apparaat te produceren met een efficiëntie van meer dan 1 procent. Maar Lenert, Wang en hun team hebben al een eerste testapparaat geproduceerd met een gemeten efficiëntie van 3,2 procent, en ze zeggen dat ze met verder werk verwachten 20 procent efficiëntie te kunnen bereiken - genoeg, zeggen ze, voor een commercieel levensvatbaar product .

Het ontwerp van het tweelaagse absorber-emitter-materiaal is de sleutel tot deze verbetering. De buitenste laag, die naar het zonlicht is gericht, is een reeks meerwandige koolstofnanobuisjes, die zeer efficiënt de energie van het licht absorbeert en in warmte omzet. Deze laag is stevig gebonden aan een laag van een fotonisch kristal, dat precies zo is ontworpen dat het, wanneer het wordt verwarmd door de aangehechte laag nanobuisjes, gloeit met licht waarvan de piekintensiteit meestal boven de bandgap van de aangrenzende PV ligt, zodat de meeste van de energie die door de absorber wordt verzameld, wordt vervolgens omgezet in elektriciteit.

In hun experimenten gebruikten de onderzoekers gesimuleerd zonlicht en ontdekten dat de maximale efficiëntie kwam toen de intensiteit gelijk was aan een focussysteem dat zonlicht met een factor 750 concentreert. Dit licht verwarmde de absorber-emitter tot een temperatuur van 962 graden Celsius.

Dit concentratieniveau is al veel lager dan bij eerdere pogingen bij STPV-systemen, die het zonlicht met een factor enkele duizenden concentreerden. Maar de MIT-onderzoekers zeggen dat het na verdere optimalisatie mogelijk moet zijn om dezelfde soort verbetering te krijgen bij nog lagere zonlichtconcentraties, waardoor de systemen gemakkelijker te bedienen zijn.

Een dergelijk systeem, zegt het team, combineert de voordelen van fotovoltaïsche zonnesystemen, die zonlicht direct in elektriciteit omzetten, en thermische zonnesystemen, die een voordeel kunnen hebben bij vertraagd gebruik, omdat warmte gemakkelijker kan worden opgeslagen dan elektriciteit. De nieuwe thermofotovoltaïsche zonne-energiesystemen zouden efficiëntie kunnen bieden vanwege hun breedbandabsorptie van zonlicht; schaalbaarheid en compactheid, omdat ze gebaseerd zijn op bestaande chipproductietechnologie; en gemak van energieopslag, vanwege hun afhankelijkheid van warmte.

Sommige manieren om het systeem verder te verbeteren zijn vrij eenvoudig. Aangezien de tussenfase van het systeem, de absorber-emitter, afhankelijk is van hoge temperaturen, is de grootte ervan cruciaal: hoe groter een object, hoe minder oppervlakte het heeft in verhouding tot zijn volume, dus warmteverliezen nemen snel af met toenemende grootte. De eerste tests zijn gedaan op een chip van 1 centimeter, maar vervolgtesten zullen worden gedaan met een chip van 10 centimeter, zeggen ze.

Zhuomin Zhang, een professor werktuigbouwkunde aan het Georgia Institute of Technology die niet betrokken was bij dit onderzoek, zegt: Dit werk is een doorbraak in thermofotovoltaïsche zonne-energie, die in principe een hogere efficiëntie kan bereiken dan conventionele zonnecellen omdat STPV kan profiteren van het hele zonnespectrum. … Deze prestatie maakt de weg vrij om de STPV-efficiëntie snel te verhogen.

Het onderzoeksteam omvatte ook MIT-afgestudeerde studenten David Bierman en Walker Chan, voormalig postdoc Youngsuk Nam, en onderzoekswetenschapper Ivan Celanović. Het werk werd gefinancierd door het Amerikaanse ministerie van Energie via het Solid-State Solar Thermal Energy Conversion (S3TEC) Center van MIT, evenals de Martin Family Society, het MIT Energy Initiative en de National Science Foundation.

zich verstoppen