توسط کیت مک آلپین ، دانشگاه میشیگان21 سپتامبر 2020تصویر میکروسکوپ الکترونی ، هوا (تیره ترین حالت خاکستری) را نشان می دهد.
سلول های خورشیدی مهار کننده گرما که 99٪ انرژی را نمی توانند به برق تبدیل کنند و آن را منعکس می کنند ، اکنون می توانند به کاهش قیمت انرژی های تجدید پذیر به عنوان ذخیره کننده گرمای ضایعاتی حاصل از لوله های خروجی گرمایی و دودکش ها کمک کنند.بجای اینکه نور به الکتریسیته تبدیل شود ، گرمای جذب شده به برق تبدیل می شود.
برنامه ذخیره انرژی ، که به طور غیررسمی به عنوان “خورشید در یک جعبه” شناخته می شود ، تولید انرژی باد و خورشیدی اضافی را در یک بانک گرمایی ذخیره می کند.
آندره لنرت ، استادیار مهندسی شیمی در اینباره گفت: “این روش برای ذخیره انرژی در مقیاس یک شبکه مورد توجه گسترده ای قرار گرفته است زیرا تخمین زده می شود 10 برابر ارزان تر از استفاده از باتری است.”
از آنجا که خود “خورشید” به عنوان مثال یک مخزن سیلیکون مذاب در این روش کم هزینه است . در این روش قطعات نسبتاً گران قیمت ، صفحات فتوولتائیک هستند که گرمای ذخیره شده را دوباره به برق تبدیل می کنند.
در مقایسه با صفحات خورشیدی معمولی که نور را به جای گرما به برق تبدیل می کنند ، فتوولتائیک حرارتی باید توانایی پذیرش فوتون های کم انرژی – بسته های نور یا گرما – را داشته باشد زیرا منبع گرما در دمای پایین تری نسبت به خورشید است. برای به حداکثر رساندن بهره وری ، مهندسان به دنبال بازتاب فوتونهایی هستند که بسیار کم انرژی هستند و به بانک گرما بازمی گردند. به این ترتیب ، انرژی دوباره جذب می شود و فرصتی دیگر برای بسته بندی در یک فوتون تولید کننده انرژی با انرژی بالاتر پیدا می کند.
استیو فارست ، استاد مهندسی دانشگاه Peter A. Franken و استاد رشته مهندسی Paul G. Goebel ، گفتند: “این یک کار بازیافت است.” “انرژی ساطع شده توسط بانک گرما بیش از 100 شانس جذب توسط سلول خورشیدی را قبل از دست رفتن دارد.”
ترموفوتوولتائیک پشتی طلا 95٪ نوری را منعکس می کند که قادر به جذب آن نیست – که بد نیست ، اما اگر 5٪ از نور با هزینه بالا از بین برود ، آن نور به طور متوسط 20 شانس که در یک فوتون با انرژی کافی برای تبدیل شدن به برق را دارد.
افزایش تعداد فرصت ها بدان معناست که می توان به طور بالقوه از مواد سلول خورشیدی ارزان تری استفاده کرد که در مورد انرژی فوتونی مورد قبول ، انتخاب بیشتری را دارند. این امر مزایای اضافی نیز دارد: فوتون های با انرژی بالاتر باعث تولید الکترون های با انرژی بالاتر می شوند ، این بدان معنی است که ولتاژهای بالاتر و انرژی کمتری هنگام از بین رفتن برق از دست می رود.
به منظور بهبود بازتابندگی ، تیم تحقیقاتی یک لایه هوا بین نیمه هادی – ماده ای که فوتون ها را به برق تبدیل می کند – و پشته طلا اضافه کردند. طلا در صورتی که نور پس از سفردر هوا به آن برخورد کند ، منعکس کننده بهتری است تا اینکه نور مستقیماً از نیمه هادی بیاید. برای به حداقل رساندن درجه ازدست رفتن امواج نور ، ضخامت لایه هوا باید مانند طول موج های فوتون ها باشد.
در ابتدا ، دانشجوی دکتری مهندسی برق و علوم کامپیوتر Dejiu Fan از ساخت چنین سلول جلوگیری کرد. فن توضیح داد که ضخامت لایه هوا باید بسیار دقیق باشد – در حد چند نانومتر – تا فوتون های انرژی پایین تر را منعکس کند. بعلاوه ، فیلم نیمه هادی شکننده فقط 1.5 میکرومتر (0.0015 میلی متر) ضخامت دارد ، اما لازم است بیش از 70 میکرومتر هوا بین بیمهای طلای با عرض 8 میکرومتر باشد.
فن گفت: “در ابتدا مشخص نبود كه آیا این سازه” پل هوا “با چنین دهانه طولانی و بدون هیچ گونه پشتیبانی مکانیکی در وسط ، می تواند با دقت بالا ساخته شود و در طی چند فرآیند ساخت خشن سالم بماند.”
فارست گفت ، اما او این کار را کرد – و به طرز چشمگیری سریع آنرا انجام داد. فن که با توبیاس برگر ، دانشجوی دکترای مهندسی شیمی و دیگر همکارانش کار می کرد ، بیمهای طلایی را روی نیمه هادی گذاشت. سپس ، آنها یک صفحه پشتی سیلیکونی را با طلا پوشاندند تا آینه ساخته شود و بیمهای طلای آن را از پشت به طلای جوش داد. به این ترتیب ، ضخامت پرتوهای طلا می تواند ارتفاع پل هوا را با دقت کنترل کند و آینه بندی تقریباً کامل را امکان پذیر کند.
لنرت در حال حاضر به دنبال افزایش کارایی بیشتر است عنوان این مقاله “استفاده تقریباً کامل فوتون در سلول ترموفوتوولتائیک پل هوایی” است و در مجله Nature به چاپ رسیده است .
دانشگاه میشیگان تقاضای حفاظت از حق ثبت اختراع کرده و به دنبال شرکای تجاری برای آوردن این فناوری به بازار است.
