Ученые создали гибридную термоэлектрическую фотоэлектрическую систему (HTEPV) на основе термоэлектрического генератора и широкозонного перовскитного солнечного элемента. Устройство способно утилизировать отходящее тепло фотоэлектрической установки и производить дополнительную мощность.

Американско-итальянская исследовательская группа изготовила гибридную термоэлектрическую фотоэлектрическую систему (HTEPV), которая способна восстанавливать отходящее тепло от солнечного элемента и использовать его для выработки дополнительной выходной мощности.

Устройство состоит из оптимизированного термоэлектрического генератора (ТЭГ), находящегося в тепловом контакте с задней частью перовскитного солнечного элемента с площадью поверхности 1 см² посредством слоя термопасты. Находясь в тепловом контакте, два блока электрически разделены.

«HTEPV следует использовать, как только будут выполнены два основных требования, касающихся фотоэлектрической части», – сказал соавтор исследования Бруно Лоренци.

Во-первых, они используют ячейки с широкой запрещенной зоной. По оценкам исследователей, необходимы элементы с энергетической щелью более 1,6 эВ, поскольку клетки с большой щелью менее чувствительны к температуре с точки зрения их производительности. Второе требование состоит в том, чтобы система имела достаточную входную мощность для повышения температуры в достаточной степени.

Тепло естественным образом проходит через ТЭГ, поскольку его холодная сторона поддерживается при комнатной температуре, а его горячая сторона, которая находится в тепловом контакте с элементом, имеет высокую температуру. Эффект Зеебека, который представляет собой прямое преобразование разницы температур между двумя полупроводниковыми материалами в электрическое напряжение, генерирует эту разницу, которая затем преобразуется в дополнительную электрическую мощность.

Ученые решили не использовать технологию разделения спектра, которая обычно используется в этих приложениях, чтобы направить различные части солнечного спектра либо на фотоэлектрическую панель, либо на блок ТЭГ.

«С точки зрения конечного повышения эффективности удобнее поддерживать температуру солнечного элемента при той же температуре горячей стороны ТЭГ, вместо того, чтобы сохранять элемент холодным, но терять большую часть извлекаемого тепла, – пояснили ученые, отметив, что для устройства был выбран широкозонный солнечный элемент на основе перовскита из-за его меньшей чувствительности к высоким температурам. – Термочувствительные материалы, такие как кремний, теряют слишком много эффективности, чтобы сделать гибридизацию удобной».

ТЭГ помещается в откачанную трубку, чтобы минимизировать теплообмен с окружающей средой. Он способен извлекать отходящее тепло из солнечного элемента и передавать его на свою холодную пластину, где оно рассеивается жидкостью. Холодная сторона крепится с помощью термопасты на дне вакуумной камеры и ее температуру регулируют с К-типа термопары.

«Поскольку часть ТЭГ находится под разницей температур, возникает дельта электрического потенциала между ее горячим и холодным электродами из-за эффекта Зеебека, – пояснил Лоренци. – Таким образом, как только ТЭГ подключается к нагрузке, он генерирует текущий электрический ток».

По словам ученых, отбор тепла из солнечного элемента может обеспечить повышение эффективности от 0,2 до 3,05%. Хотя группа протестировала различные виды широкозонных солнечных элементов для системы HTEPV, она обнаружила, что устройства на основе перовскита обладают лучшими характеристиками с точки зрения эффективности преобразования энергии.