Panele słoneczne są już od dłuższego czasu, ale materiały, z których są wykonane, nie są w stanie przetworzyć więcej niż jednej czwartej energii słonecznej w użyteczną energię elektryczną. Według obliczeń MIT, przeciętny dom w słonecznej Arizonie nadal potrzebuje około 574 stóp kwadratowych paneli słonecznych (zakładając około 15 procent wydajności), aby zaspokoić swoje codzienne zapotrzebowanie na energię. W chłodnym i szaro zimowym Vermont ten sam dom wymagałby 861 stóp kwadratowych. To dużo boazerii.
Właśnie dlatego badacze MIT eksperymentują z całkowicie nowym procesem przekształcania światła słonecznego - wykorzystującym ekstremalnie wysokie temperatury w celu zwiększenia wydajności. Jeśli działa na dużą skalę, w nadchodzących latach moglibyśmy zaobserwować znacznie bardziej wydajne panele słoneczne, potencjalnie zmieniając grę w zakresie energii słonecznej.
„Dzięki naszym badaniom staramy się rozwiązać podstawowe ograniczenia konwersji energii fotowoltaicznej”, mówi David Bierman, jeden z naukowców prowadzących projekt.
Technologia zamienia światło słoneczne w ciepło, a następnie przekształca ciepło z powrotem w światło. W procesie wykorzystuje się koncentrator światła, zwany „emiterem absorbera”, z absorbującą warstwą stałych nanorurek z czarnego węgla, które zamieniają światło słoneczne w ciepło. Gdy temperatura osiągnie około 1000 stopni Celsjusza (tak gorąca jak lawa z wielu wulkanów, aby dać ci wyobrażenie), warstwa emitująca, wykonana z kryształu fotonicznego, wysyła energię z powrotem jako rodzaj światła, które może wykorzystać ogniwo słoneczne.
Filtr optyczny odbija wszystkie cząsteczki światła, które nie mogą być użyte, proces zwany „recyklingiem fotonów”. Zwiększa to dramatycznie wydajność, czyniąc ogniwa dwa razy bardziej wydajnymi niż obecny standard.
Odpowiednio, technologia jest nazywana „gorącymi ogniwami słonecznymi”. Ogniwa te zostały niedawno nazwane jedną z „10 przełomowych technologii MIT z 2017 roku”. Redaktorzy publikacji publikują tę listę co roku od 2002 roku. W tym roku technologie, od implantów mózgowych, przez samobieżne ciężarówki, aż po aparaty zdolne do robienia selfie 360 stopni, „wpłynie na gospodarkę i naszą politykę, ulepszy medycynę lub wpłynie na naszą kulturę”, zgodnie z MIT Technology Review . „Niektóre rozwijają się teraz; inne zajmą dekadę lub dłużej” - mówią redaktorzy. „Ale powinieneś wiedzieć o nich wszystkich teraz”.
Czarne nanorurki węglowe tworzą warstwę pochłaniacza-emitera. (MIT) Technologia ta przewyższa standardowe ogniwa słoneczne na bardzo podstawowym poziomie. Materiał półprzewodnikowy standardowych komórek, który prawie zawsze jest krzemem, na ogół wychwytuje tylko światło z widma fioletowego do czerwonego. Oznacza to, że reszta widma światła słonecznego zostaje utracona. Z powodu tego podstawowego problemu ogniwa słoneczne mogą przetwarzać tylko około jednej trzeciej energii słonecznej na energię elektryczną. Ta górna granica, maksymalna teoretyczna sprawność ogniwa słonecznego, nazywa się granicą Shockley-Queisser. Panele słoneczne wykonane do użytku domowego generalnie przekształcają się znacznie mniej niż limit Shockley-Queisser, ponieważ najbardziej wydajne materiały są wciąż niezwykle drogie. Ale przy gorących ogniwach słonecznych ten limit, obowiązujący od ponad 50 lat, może być historią.
W tym momencie badacze mają tylko prototyp. Może minąć dekada lub więcej, zanim zobaczymy te gorące ogniwa słoneczne na rynku. W tej chwili materiały są tak drogie, że trudno byłoby zamienić komórki w panele o rozmiarze niezbędnym do użytku komercyjnego.
„Będziemy musieli rozwiązać cały szereg problemów związanych ze skalowaniem urządzenia, aby faktycznie generować moce, które są użytecznymi rozwiązaniami dla ludzi i ich problemów”, mówi Bierman.
Bierman i jego koledzy z projektu, Andrej Lenert, Ivan Celanovic, Marin Soljacic, Walker Chan i Evelyn N. Wang, są optymistami, że mogą pokonać te ograniczenia. Mają też nadzieję dowiedzieć się, jak przechowywać dodatkowe ciepło do późniejszego wykorzystania. To może oznaczać czystą energię w najbardziej zachmurzone zimowe dni. Nawet w Vermont.
