Термофотовольтаика
Термофотовольтаика (ТФВ) идёт в обход, и этот обход себя оправдывает: вместо того чтобы превращать тепло непосредственно в электричество, она сначала заставляет тепло светиться, а затем ловит свет полупроводниковым элементом.
Устройство
Достаточно двух частей. Излучатель доводится до высокой температуры и испускает при этом — как всякое горячее тело — электромагнитные волны. Расположенный напротив фотовольтаический элемент превращает это излучение в электричество.
В отличие от солнечного элемента, максимум излучения лежит не в видимой области, а в ближнем инфракрасном. При 2 000 кельвин он лежит около 1,5 микрометра.
Почему обход осмыслен
Термоэлектричество превращает тепло непосредственно в напряжение, но нуждается для этого в градиенте температуры и редко переходит за восемь процентов КПД. Причина — противоречие целей в материале: нужно нечто, что хорошо проводит ток и плохо тепло, а в большинстве веществ обе проводимости идут рука об руку.
У термофотовольтаики этого противоречия нет. Её предел — не материаловедение, а физика излучения, и лежит он заметно выше.
Два решающих приёма
Согласованная запрещённая зона. Элемент подгоняют под спектр излучателя. Для инфракрасной области годятся полупроводники вроде арсенида галлия, арсенида галлия-индия или арсенида-антимонида галлия-индия — но не кремний, чья запрещённая зона в 1,12 электронвольта для этих длин волн слишком велика.
Современные устройства составляют друг на друга два элемента с разными запрещёнными зонами, так что каждый использует подходящую для него часть спектра.
Возврат. Фотоны, энергия которых лежит ниже запрещённой зоны, ничего не могли бы сделать и были бы потеряны. Вместо того чтобы их растрачивать, за элементом устанавливают зеркало, которое отбрасывает их назад к излучателю. Там они подогревают.
Этот приём и есть причина скачков последних лет. Он превращает потерю в круговорот: то, что элемент не может использовать, не пропадает, а возвращается в нагрев.
Уровень техники
В 2022 году рабочая группа Массачусетского технологического института и Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии сообщила в Nature о тандемном элементе с КПД около 40 процентов при температурах излучателя от 1 900 до 2 400 градусов Цельсия.
Это примечательное число. Оно выше КПД паровой турбины на обычной электростанции — и это в устройстве без единой подвижной детали, без воды, без обслуживания.
Применение, о котором думают
Ближайшее применение — хранение электричества в виде тепла.
Избыточное электричество от ветра и солнца нагревает накопительную среду — например, расплавленный кремний или графитовые блоки — свыше 2 000 градусов. Когда электричество позже понадобится, ТФВ-элементы отдадут его обратно.
Привлекательность лежит в затратах. Тепловой накопитель состоит из дешёвых, имеющихся в изобилии материалов и почти не стареет, тогда как батареи дороги и теряют ёмкость. Получилась бы батарея без химии.
Отграничение от нейтриновольтаики
Различие — в отправной точке. Термофотовольтаике нужен горячий источник, и это тепло должно откуда-то взяться — из сжигания, из концентрированного солнечного света, из накопителя. Без горячего излучателя нет ни излучения, ни электричества.
Нейтриновольтаика начинает там, где такого источника нет под рукой. Её притязание направлено на потоки, которые имеются повсюду и постоянно, а тем самым на применения в темноте, внутри, под землёй.
Для фотовольтаики в сравнении действует подобное: ей нужен свет извне; термофотовольтаика создаёт себе свой свет сама.
Чему тут можно научиться
Термофотовольтаика показывает две вещи, которые действуют и для других подходов.
Во-первых: кажущийся обход может быть более коротким путём. Превращать тепло в электричество через излучение хлопотнее, чем прямым путём, — и даёт впятеро больше.
Во-вторых: прогресс пришёл не из новой основной идеи, а из тщательной работы над материалом — над запрещённой зоной и зеркалом. Именно в этом состоит и задача, которую поставила себе нейтриновольтаика со своими многослойными стопками графена и кремния.
Родственные понятия
Источники
- A. LaPotin и др.: Thermophotovoltaic efficiency of 40 %, Nature 604, 287–291 (2022).