Предел эффективности для солнечных батарей устанавливает правило Шокли-Квайссера, и для однослойного кремниевого элемента оно дает около 32%. Преодоление этого барьера возможно путем использования нескольких слоев (многопереходные элементы). Другой, менее популярный, термофотоэлектрический подход, продемонстрировали семеро исследователей MIT в работе, о которой рассказали в статье для журнала Nature Energy.

Принцип работы солнечных термофотоэлектрических элементов (Solar ThermoPhotoVoltaics, STPV) прост. Вся солнечная энергия, включая обычно бесполезно рассеиваемое тепло, поглощается промежуточным компонентом. Нагреваясь, он начинает испускать тепловое излучение. Подбирая материалы и конфигурацию слоев можно добиться, чтобы длина волны излучения соответствовала полосе поглощения солнечного элемента.

Согласно теоретическим прогнозам, этот метод позволяет получать с прежней площади солнечной батареи вдвое больше электроэнергии, чем сейчас.

«Нами впервые продемонстрировано STPV-устройство с более высокой эффективностью преобразования солнечной энергии в электричество, чем у входящей в его состав фотоэлектрической ячейки, — поясняет профессор MIT, Эвелин Ван (Evelyn Wang). — Наша команда использовала сравнительно малоэффективный элемент, и общая эффективность системы была всего 6,8%, но улучшение, достигнутое в результате применения STPV, ясно показано прямым сопоставлением».

В эксперименте, промежуточный компонент системы STPV состоял из слоя высокотехнологичного материала — смеси нанофотонных кристаллов с вертикально ориентированными углеродными нанотрубками (CNT). Нагретые до 1000 °C кристаллы излучали преимущественно в узкой полосе частот, которая приходилась на максимум поглощения смежного солнечного элемента. Выходящие за пределы этой полосы спектральные компоненты излучения переотражались селективным оптическим фильтром для повторного поглощения. Углеродные нанотрубки использовались в качестве почти идеального поглотителя солнечной энергии во всем видимом спектре, преобразующего её в тепло.

Такое решение оптимально для применения в традиционных солнечных станциях, концентрирующих солнечные лучи массивом зеркал — это позволяет поддерживать высокую температуру в фокусе.

На следующей стадии проекта авторы займутся разработкой более крупных версий на основе имеющегося лабораторного прототипа и поиском способов экономичного производства систем STPV.