.jpg)
يمكن أن تساعد الخلايا "الشمسية" الجديدة التي تعمل على تسخير الحرارة والتي تعكس 99٪ من الطاقة التي لا يمكنها تحويلها إلى كهرباء على خفض سعر تخزين الطاقة المتجددة كحرارة ، فضلاً عن جمع الحرارة المهدرة من أنابيب العادم والمداخن.
يخزن تطبيق تخزين الطاقة ، المعروف بشكل غير رسمي باسم "الشمس في صندوق" أو "المسخن الحراري" ، توليد طاقة إضافية من الرياح والطاقة الشمسية في بنك حراري.
قال أندريه لينيرت ، الأستاذ المساعد في الهندسة الكيميائية: "يحظى هذا النهج في تخزين الطاقة على نطاق الشبكة باهتمام واسع النطاق لأنه يُقدر أنه أرخص بعشرة أضعاف من استخدام البطاريات".
إن تكلفة "الشمس" نفسها في هذا النهج منخفضة بالفعل: خزان من السيليكون المصهور ، على سبيل المثال. الأجزاء باهظة الثمن نسبيًا هي الألواح الكهروضوئية التي تحول الحرارة المخزنة إلى كهرباء.
بالمقارنة مع الألواح الشمسية العادية التي تحول الضوء ، بدلاً من الحرارة ، إلى كهرباء ، يجب أن تكون الخلايا الكهروضوئية الحرارية قادرة على قبول فوتونات طاقة أقل - حزم من الضوء أو الحرارة - لأن مصدر الحرارة في درجة حرارة أقل من الشمس. لتحقيق أقصى قدر من الكفاءة ، كان المهندسون يتطلعون إلى عكس الفوتونات ذات الطاقة المنخفضة جدًا في بنك الحرارة. وبهذه الطريقة ، يتم إعادة امتصاص الطاقة ولديها فرصة أخرى لتعبئتها في فوتون عالي الطاقة منتِج للكهرباء.
قال ستيف فورست ، أستاذ الهندسة بجامعة بيتر فرانكن المتميز وأستاذ الهندسة في جامعة بول جي جوبيل: "إنها وظيفة إعادة تدوير". "الطاقة المنبعثة من بنك الحرارة لديها أكثر من 100 فرصة لامتصاصها بواسطة الخلية الشمسية قبل أن تضيع."
تعكس الخلايا الحرارية الكهروضوئية التقليدية المدعومة بالذهب 95٪ من الضوء الذي لا تستطيع امتصاصه - ليس سيئًا ، ولكن إذا ضاع 5٪ من الضوء مع كل ارتداد ، فإن هذا الضوء لديه في المتوسط 20 فرصة لإعادة انبعاثه في فوتون مع طاقة كافية لتحويلها إلى كهرباء.
تعني زيادة عدد الفرص أنه من المحتمل أن يستخدم المرء مواد خلايا شمسية أرخص تكون أكثر انتقاءً بشأن طاقات الفوتونات التي يقبلها. هذا له فوائد إضافية: فوتونات الطاقة العالية تصنع إلكترونات ذات طاقة أعلى ، مما يعني زيادة الفولتية وطاقة أقل أثناء إخراج الكهرباء.
من أجل تحسين الانعكاسية ، أضاف الفريق طبقة من الهواء بين أشباه الموصلات - المادة التي تحول الفوتونات إلى كهرباء - والغطاء الذهبي. يعتبر الذهب عاكسًا أفضل إذا اصطدم به الضوء بعد السفر في الهواء ، بدلاً من أن يأتي مباشرة من أشباه الموصلات. لتقليل الدرجة التي تلغي بها موجات الضوء بعضها البعض ، يجب أن تكون سماكة طبقة الهواء مماثلة للأطوال الموجية للفوتونات
في البداية ، رفض ديجو فان ، طالب الدكتوراه في الهندسة الكهربائية وعلوم الكمبيوتر ، مهمة صنع مثل هذه الخلية. أوضح فان أن سماكة طبقة الهواء يجب أن تكون دقيقة للغاية - في غضون بضعة نانومترات - لتعكس فوتونات الطاقة المنخفضة. علاوة على ذلك ، يبلغ سمك فيلم أشباه الموصلات الهش 1.5 ميكرومتر فقط (0.0015 ملم) ، ومع ذلك يحتاج إلى أن يمتد على 70 ميكرومتر من الهواء بين أشعة الذهب التي يبلغ عرضها 8 ميكرومتر.
وقال فان "لم يكن واضحا في البداية ما إذا كان هيكل" الجسر الجوي "، مع مثل هذا الامتداد الطويل وبدون أي دعم ميكانيكي في المنتصف ، يمكن بناؤه بدقة عالية ويتحمل عمليات تصنيع قاسية متعددة".
قال فورست إنه فعل ذلك - وبسرعة ملحوظة. قام فان ، بالعمل مع توبياس برجر ، طالب دكتوراه في الهندسة الكيميائية ، ومتعاونين آخرين ، بوضع الحزم الذهبية على أشباه الموصلات. بعد ذلك ، قاموا بطلاء صفيحة خلفية من السيليكون بالذهب لصنع المرآة ولحموا عوارض الذهب. بهذه الطريقة ، يمكن أن يتحكم سمك الحزم الذهبية بدقة في ارتفاع الجسر الهوائي ، مما يتيح انعكاسًا شبه مثالي.
يتطلع لينيرت بالفعل إلى رفع الكفاءة أكثر ، مضيفًا "تسعة" إضافية إلى النسبة المئوية للفوتونات المنعكسة. على سبيل المثال ، فإن رفع الانعكاس إلى 99.9٪ من شأنه أن يمنح الحرارة 1000 فرصة للتحول إلى كهرباء.
الدراسة التي نُشرت في مجلة Nature بعنوان "استخدام الفوتون شبه المثالي في خلية حرارية كهروضوئية جسر هوائي". تقدمت U-M بطلب لحماية براءات الاختراع وتبحث عن شركاء تجاريين لتقديم التكنولوجيا إلى السوق.
المصدر