Τα ηλιακά πάνελ βρίσκονται εδώ και λίγο καιρό, αλλά τα υλικά που παράγονται από αυτά τα καθιστούν ανίκανα να μετατρέπουν περισσότερο από το ένα τέταρτο της ενέργειας του ήλιου σε χρησιμοποιήσιμο ηλεκτρικό ρεύμα. Σύμφωνα με τους υπολογισμούς του MIT, ένα μέσο σπίτι στην ηλιόλουστη Αριζόνα εξακολουθεί να χρειάζεται περίπου 574 τετραγωνικά πόδια από ηλιακούς συλλέκτες (υποθέτοντας απόδοση περίπου 15 τοις εκατό) για την κάλυψη των καθημερινών ενεργειακών αναγκών του. Στο δροσερό και γκρίζο Βερμόντ, το ίδιο σπίτι θα χρειαζόταν 861 τετραγωνικά πόδια. Αυτό είναι πολύ πλακόστρωτο.
Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι ερευνητές του MIT πειραματίζονται με μια εντελώς νέα διαδικασία μετατροπής του ηλιακού φωτός - ένα που εκμεταλλεύεται τις εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες για να αυξήσει την αποτελεσματικότητα. Εάν λειτουργεί σε μεγάλη κλίμακα, θα μπορούσαμε να βλέπουμε πιο αποδοτικά ηλιακούς συλλέκτες τα επόμενα χρόνια, ενδεχομένως να αλλάξουμε το παιχνίδι για την ηλιακή ενέργεια.
"Με την έρευνά μας, προσπαθούμε να αντιμετωπίσουμε τους θεμελιώδεις περιορισμούς της μετατροπής της φωτοβολταϊκής ενέργειας", λέει ο David Bierman, ένας από τους ερευνητές που οδήγησαν το έργο.
Η τεχνολογία μετατρέπει το ηλιακό φως σε θερμότητα, μετατρέποντας στη συνέχεια την θερμότητα στο φως. Η διαδικασία χρησιμοποιεί έναν συγκεντρωτή φωτός των ειδών που ονομάζεται "απορροφητής-εκπομπός", με ένα απορροφητικό στρώμα από στερεούς νανοσωλήνες μαύρου άνθρακα που μετατρέπουν το ηλιακό φως σε θερμότητα. Όταν οι θερμοκρασίες φτάνουν στους 1.000 βαθμούς Κελσίου περίπου (τόσο θερμό όσο και η λάβα από πολλά ηφαίστεια, μόνο για να σας δώσουν μια ιδέα), ένα στρώμα που εκπέμπει φωτοστέφανο στέλνει την ενέργεια πίσω ως το είδος του φωτός που μπορεί να χρησιμοποιήσει το ηλιακό κύτταρο.
Ένα οπτικό φίλτρο αντικατοπτρίζει όλα τα ελαφρά σωματίδια που δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν, μια διαδικασία που ονομάζεται "ανακύκλωση φωτονίων". Αυτό αυξάνει δραματικά την δραστικότητα, καθιστώντας τα κύτταρα όσο το διπλάσιο από αυτά που ισχύουν σήμερα.
Η τεχνολογία είναι επονομαζόμενη "ζεστά ηλιακά κύτταρα". Τα κύτταρα ονομάστηκαν πρόσφατα ένα από τα 10 Τεχνολογίες Πρωτοποριακής Αναθεώρησης του 2017 της MIT Technology. Οι συντάκτες της έκδοσης καταρτίζουν αυτή τη λίστα ετησίως από το 2002. Φέτος, οι τεχνολογίες, από τα εμφυτεύματα εγκεφάλου έως τα αυτοκατευθυνόμενα φορτηγά σε κάμερες ικανές να παίρνουν αυτοεξυπηρέτηση 360 βαθμών, "θα επηρεάσουν την οικονομία και την πολιτική μας, θα βελτιώσουν την ιατρική ή θα επηρεάσουν τον πολιτισμό μας", σύμφωνα με την MIT Technology Review . "Μερικοί ξεδιπλώνονται τώρα, άλλοι θα διαρκέσουν μια δεκαετία ή περισσότερο για να αναπτυχθούν", λένε οι συντάκτες. "Αλλά πρέπει να γνωρίζετε για όλους αυτούς τώρα."
Οι νανοσωλήνες μαύρου άνθρακα αποτελούν το στρώμα απορροφητή-εκπομπού του πίνακα. (ΜΙΤ) Η τεχνολογία είναι ανώτερη από τα τυπικά ηλιακά κύτταρα σε ένα πολύ βασικό επίπεδο. Το ημιαγώγιμο υλικό των τυποποιημένων κυψελών, το οποίο είναι σχεδόν πάντα πυρίτιο, γενικά συλλαμβάνει μόνο το φως από το ιώδες έως το κόκκινο φάσμα. Αυτό σημαίνει ότι το υπόλοιπο φάσμα του ηλιακού φωτός έχει χαθεί. Λόγω αυτού του θεμελιώδους προβλήματος, τα ηλιακά κύτταρα μπορούν να μετατρέψουν μόνο το ένα τρίτο της ενέργειας του ηλιακού φωτός σε ηλεκτρική ενέργεια. Αυτό το ανώτερο όριο, η μέγιστη θεωρητική απόδοση ενός ηλιακού στοιχείου, ονομάζεται όριο Shockley-Queisser. Τα ηλιακά πάνελ που κατασκευάζονται για οικιακή χρήση γενικά μετατρέπονται πολύ λιγότερο από το όριο Shockley-Queisser, καθώς τα πιο αποδοτικά υλικά εξακολουθούν να είναι εξαιρετικά ακριβά. Αλλά με τα ζεστά ηλιακά κύτταρα, αυτό το όριο, που ισχύει εδώ και περισσότερο από 50 χρόνια, μπορεί να είναι ιστορικό.
Σε αυτό το σημείο, οι ερευνητές έχουν μόνο ένα πρωτότυπο. Θα μπορούσε να είναι μια δεκαετία ή και περισσότερο πριν δούμε αυτά τα θερμά ηλιακά κύτταρα στην αγορά. Αυτή τη στιγμή, τα υλικά είναι τόσο ακριβά, θα ήταν δύσκολο να μετατραπούν τα κύτταρα σε φύλλα μεγέθους που απαιτούνται για εμπορική χρήση.
«Θα χρειαστεί να επιλύσουμε μια ολόκληρη σειρά ζητημάτων που σχετίζονται με την κλιμάκωση της συσκευής ώστε να δημιουργηθούν πραγματικά δυνάμεις που είναι χρήσιμες λύσεις για τους ανθρώπους και τα προβλήματά τους», λέει ο Bierman.
Ο Bierman και οι συνάδελφοί του στο έργο, Andrej Lenert, Ivan Celanovic, Marin Soljacic, Walker Chan και Evelyn N. Wang, είναι αισιόδοξοι ότι μπορούν να ξεπεράσουν αυτά τα όρια. Επίσης, ελπίζουν να καταλάβουν πώς να αποθηκεύουν επιπλέον θερμότητα για μεταγενέστερη χρήση. Αυτό θα μπορούσε να σημαίνει καθαρή ενέργεια στις πιο θολές χειμωνιάτικες μέρες. Ακόμα και στο Βερμόντ.
