Domů
Obnovitelné zdroje
Revoluční solární články mohou překonat teoretický limit účinnosti 32 %

Revoluční solární články mohou překonat teoretický limit účinnosti 32 %

Tým vědců z amerického institutu Massachusetts Institute of Technology (MIT) přišel s technologií solárního článku, která je schopna překonat teoretický limit účinnosti 32 % pro jednovrstvé křemíkové články. Při kombinaci s akumulací tepla by podle vědců tento systém navíc mohl produkovat elektrickou energii nepřetržitě.

Nová metoda by teoreticky mohla až zdvojnásobit stanovené hranice účinnosti přeměny světelného záření na elektřinu. Objev byl ohlášen na konci května v časopise Nature Energy a stojí za ním doktorand David Bierman, profesoři Evelyn Wang a Marin Soljačić a čtyři další členové z MIT.

Jak na překonání teoretického limitu?

Již v roce 1961 byl stanoven teoretický limit, známý jako Shockleyův-Queisserův limit, který udává, s jakou nejvyšší možnou účinností jsou fotovoltaické články schopny přeměňovat dopadající sluneční záření na elektrickou energii. Pro jednovrstvé křemíkové články je tato hranice okolo 32 %.

V současné době jsou studovány metody, jak tuto hranici překonat. Jedním ze způsobů je využití vícevrstvých článků, kdy každá z vrstev reaguje na záření s odlišnou vlnovou délkou. Do praxe tuto technologii zavedla například společnost Panasonic, která u své HIT technologie uvádí oproti běžným 260W polykrystalickým panelům až o 27 % vyšší nominální výkon při zachování stejné plochy.

Za vším stojí nanofotovoltaické krystaly

Technologie STPV (solar thermophotovoltaics), se kterou přišli výzkumní pracovní z MIT, je ovšem zcela odlišná. Je založena na kombinaci fotovoltaických článků s materiálem schopným absorbovat odpadní teplo, které články při ozáření produkují, a to následně přeměnit na světelné záření s ideální vlnovou délkou. Klíčem jsou tzv. nanofotonické krystaly, které po zahřátí emitují světelné záření požadované vlnové délky, které odpovídá vlnové délce, při které fotovoltaické články pracují s maximální účinností.

Vysoká účinnost není hlavní předností

V provozu by tento systém využíval běžného solárního koncentračního systému s čočkami nebo zrcadly soustřeďujícími sluneční záření k dosažení vysoké teploty. Přídavný komponent, optický filtr, by následně propouštěl k fotovoltaickým článkům záření s požadovanými vlnovými délkami, zatímco by odrážel zbytek spektra. Odražené záření by následně bylo absorbováno, což by umožnilo uchovat teplotu fotonického krystalu.

Koncentreční solární elektrárny využívají soustředění slunečního záření pro zvýšení teploty.

Podle Biermana by takový systém mohl nabízet několik výhod oproti konvenčním fotovoltaickým elektrárnám. Zaprvé, jelikož záření emitované fotonickými krystaly závisí na teplotě namísto samotného světelného záření, znamená, že systém by nebyl ovlivněn náhlými změnami jako zakrytím slunce mraky. Pokud by byl navíc systém zkombinovaný se systémem pro akumulaci tepla, mohl by v podstatě poskytovat nepřerušovanou dodávku elektrické energie.

Aby bylo dokázáno, že metoda funguje, provedl  tým testy za využití fotovoltaických článků s technologií STPV nejprve na přímém slunečním světle, a následně při zcela zakrytém slunci tak, že docházelo pouze k sekundární emisi světla z fotonického krystalu. Výsledky ukázaly, že skutečný provoz odpovídal předpokládanému zlepšení oproti klasickým fotovoltaickým článkům.

„Ukázali jsme, že i s naší neoptimalizovanou geometrií bychom ve skutečnosti mohli překonat Shockleyův-Queisserův limit,“ řekl Bierdman o demonstrační rané fázi projektu.

Úvodní fotografie: MIT

Komentáře

(9)

Milan Vaněček

15. červen 2016, 20:58

Ten vědecký článek v prestižním časopise je zajímavý, realizuje zajímavý přístup jak využít energie fotonů krátkovlnějších než je absorpční hrana křemíku k produkci nových fotonů místo tepla (i když zatím jen s nízkou účinností). Na druhou stranu existuje několik, již úspěšně realizovaných přístupů jak zvýšit účinnost slunečních článků. Nejpřímočařejší je použít několika článků na sobě s různou absorpční hranou (tandemy, články složené monoliticky z tří čí 4 různých absorbérů-multispektrální články, kdy vrchní článek absorbuje krátkovlnnou část spektra), dále účinnost roste s koncentrací světla. Při použití obého je současný, realizovaný rekord v účinnosti 46 %.

Ale když jde o poměr výkon/cena, články z křemíkových destiček (přes 90% celosvětové průmyslové produkce) stále dominují. Hlavní výzkumný trend nyní je deponovat na ně tenkovrstvý článek s absorpční hranou okolo 700nm tak, aby výsledný (a stále levný) tandem dosáhl účinnosti (bez koncetrace) přes 30%. Na to si ale ještě tak 3-10 let počkáme (tak za 3 roky to bude dosaženo v laboratořích, tak do 10ti let i v hromadné levné produkci), bude to tak asi současně s levnými bateriemi na akumulaci elektrické energie. Pak už ČEPS a ČEZ nebudou moci vydírat vysokými platbami za jistič nebo jinými triky.....

energetik

16. červen 2016, 09:52

"Při kombinaci s akumulací tepla by podle vědců tento systém navíc mohl produkovat elektrickou energii nepřetržitě."

Takové články bych upevnil na zimu na "kotel" bude to účinnější a levnější než TEG?

Jan Veselý

16. červen 2016, 10:07

Jo, taky bych to dal ke krbu.

Ondra

16. červen 2016, 10:50

No, jelikož ten krystal pracuje při teplotách přes 1000 °C, tak byste ho spíš musel do toho kotle/krbu hodit, než ho dát k němu. Nevím, jak moc dobře by to pak fungovalo.

Oto Otepka

16. červen 2016, 10:57

Nevim jestli si to panove uvedomuji, ale jestli objevili zpusob jak premenit tepelnou energii na elektrickou, prevrati svet vzhuru nohama, ucinnost tepelnych elektraren by stoupla o desitky procent, ucinnost motoru v hybridnich autech by stoupla desitky procent, Afrika by se stala nejvetsim exporterem elektriny. Proste super. Mega super! Nebo to jako obvykle je vystrel do tmy spojeny se zadosti o grant a o tehle technologii neuslysime dalsich 10 let. Chtel bych byt optimista, ale radeji si pockam na podrobnejsi zpravu o principech technologie. Zatim nevim jak se daji nanokrystaly premluvit, aby ze zareni v pasmu kolem 5000nm udelaly svetelne zareni kolem 600-900nm, pokud mi to nekdo ukaze, budu chtit byt prvni investor.

Milan Vaněček

16. červen 2016, 13:33

1)Termofotovoltaika už dlouho existuje (asi jen v laboratořích), fotovoltaický článek z PbS vám vyrobí přímo elektrickou energii jako Si článek, když ho dáte k rozpáleným kamnům (třeba v zimě, v Kanadě, za polární noci - fotovoltaika funguje. takže si můžete napájet svůj mobil či počítač). Kdyby se to vyrábělo seriově a byl dostatečně velký trh tak to ani nemusí být drahé...

2)Taky se nechá v termoelektrických materiálech převést rozdíl teplot na elektrický proud.

3)Pro převedení tepla (=široké spektrum energií fotonů o vlnové délce cca 1-10 mikronů do jedné vlnové délky fotonu je pak zapotřebí specielních triků, jako analogii bych mohl třeba uvést opticky buzený laser....

4)Ve fyzice lze dělat spoustu věcí, druhá věc je ale potom velkoseriová výroba a cena. Proto se podařilo prorazit jen s několika věcmi (mikroprocesory, polovodičové paměti, fotosensory a fotovoltaické články). Plocha fotovoltaických článků vyrobených v roce 2015 by zabrala asi 300 čtverečních kilometrů.

5)Ještě poslední poznámka: FV článek je velmi dokonalé polovodičové zařízení, které pracuje pro vlnovou délku světla těsně nad absorpční hranou (pod ní článek světlo propouští) s účinností přeměny tohoto monochromatického světla v elektrický proud cca 99%. Čím dál pak jdeme od absorpční hrany, tím více energie fotonu se přeměňuje též v teplo (a pod hranou se nic neabsorbuje-proto to maximum účinnosti jednoduchého článku je cca 30%)

Oto Otepka

16. červen 2016, 20:03

Diky za informace, kde bych mohl najit popis principu prevodu delsich vlnovych delek do kratsich?

Mimochodem, originalni clanek zminuje, ze by melo zarizeni pracovat pri teplotach az 1000 stupnu C, coz bude materialove dost narocne, spise nemozne a porad mluvime o vlnove delce kolem 2200nm , to je dost daleko od viditelneho svetla

Milan Vaněček

16. červen 2016, 21:03

Ten článek je o termofotovoltaice (viz můj bod1) a vtip je v tom co popisuji v bodě 5) a ve specifickém emitéru (nanofotonický krystal) který se nechová jako černé těleso, ale emituje při cca 1000C (= článek potřebuje silnou koncentraci slunečního světla) převážně jednu vlnovou délku - v IČ oblasti,

princip - viz MIT news:

The basic principle is simple: Instead of dissipating unusable solar energy as heat in the solar cell, all of the energy and heat is first absorbed by an intermediate component, to temperatures that would allow that component to emit thermal radiation. By tuning the materials and configuration of these added layers, it’s possible to emit that radiation in the form of just the right wavelengths of light for the solar cell to capture. This improves the efficiency and reduces the heat generated in the solar cell.

The key is using high-tech materials called nanophotonic crystals, which can be made to emit precisely determined wavelengths of light when heated. In this test, the nanophotonic crystals are integrated into a system with vertically aligned carbon nanotubes, and operate at a high temperature of 1,000 degrees Celsius. Once heated, the nanophotonic crystals continue to emit a narrow band of wavelengths of light that precisely matches the band that an adjacent photovoltaic cell can capture and convert to an electric current. “The carbon nanotubes are virtually a perfect absorber over the entire color spectrum,” Bierman says, allowing it to capture the full solar spectrum. “All of the energy of the photons gets converted to heat.” Then, that heat gets re-emitted as light but, thanks to the nanophotonic structure, is converted to just the colors that match the PV cell’s peak efficiency.

Petr Hariprasad Hajič

28. únor 2018, 13:04

Děkuji za podrobné informace. Že by bylo skvělé dalo využít tepelných fotonů (tepla) k emitaci fotonů kratších vlnových délek mě taky napadlo, ale nevěděl jsem, jestli je to možné. Problém je teplota, která je moc vysoká. Pokud se najde materiál, který bude schopný emitovat při nižších teplotách, mohlo by to otevřít cestu dalšímu zefektivnění FVE.

Přidat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna u komentáře
Vyžadované informace jsou označeny *
Pravidla diskuze
Veškeré příspěvky v diskuzi na webu oEnergetice.cz musí splňovat Pravidla diskuze. Přidáním příspěvku do diskuse uživatel vyjadřuje souhlas s těmito pravidly a zavazuje se je dodržovat.
Komentáře pouze pro přihlášené uživatele
Upozorňujeme diskutující, že komentáře v diskuzi budou moci přidávat již brzy pouze přihlášení uživatelé. V diskuzi se stále častěji objevují příspěvky od anonymních uživatelů, které porušují pravidla diskuze. Věříme, že díky tomuto opatření bude diskuze pod články pro všechny přínosnější.
Pokud ještě účet nemáte, je možné si jej vytvořit na stránce registrace. Pokud již účet máte, přihlaste se do něj na této stránce.
V uživatelské sekci pak můžete najít poslední vaše komentáře.
OM Solutions s.r.o.
Kpt. Nálepky 620/7, Nové Dvory, 674 01
Třebíč
IČ: 02682516
SOCIÁLNÍ SÍTĚ
© 2021 oEnergetice.cz All Rights Reserved.