Termo-fotovoltické články môžu dosiahnuť účinnosť až 80%

Účinnosť solárnych článkov je obmedzená takzvaným Shockley–Queisserovým limitom, no napriek tomu sa objavujú informácie, ako rôznymi technickými fintami túto bariéru prekonať.

Shockley–Queisserov limit určuje maximálnu účinnosť solárnej konverzie článku s jedným P-N prechodom a šírkou zakázaného pásu 1,34 eV na hodnote okolo 33,7%. To znamená, že z celého výkonu slnečného žiarenia dopadajúceho na solárny panel (asi 1000 W / m²), dokáže najlepší solárny článok „vyťažiť“ len 337 W /m² elektrického výkonu.

Informácie o Shockley–Queisserovom limite nájdete na tejto stránke, alebo podrobnejšie v angličtine tu.

Fungovanie bežného solárneho článku (a) a termo-fotovoltického článku (b).

Najobľúbenejší materiál pre solárne články – kremík, nemá ideálne zakázané pásmo (1,1 eV), takže kremíkové články majú teoretické maximum účinnosti asi 32%. Dnešné moderné monokryštalické Si články dosahujú efektivitu okolo 24%, pričom straty sú spôsobené zrkadlením na ich povrchu, tienením prepojovocích vodičov a ďalšími faktormi.

Napriek fyzikálnym limitom môžu reálne články limitné hodnoty účinnosti aj prekročiť, aj keď toto tvrdenie nie je celkom správne, ani presné. Deje sa tak napríklad pri viacprechodových článkoch, alebo pri článkoch s koncentrátormi, ktoré sústreďujú na P-N prechody viac energie. Do tejto kategórie patrí aj nedávny rekordman z austrálskej University of New South Wales.

Ale aj tento rekord vydržal len krátko. Skupina vedcov z Massachusetts Institute of Technology (MIT) vyvinula metódu ako prelomiť Shockley-Queisserov limit. Vedci z MIT informovali, že pomocou termo-fotovoltických článkov by sa mohla účinnosť premeny žiarenia na elektrinu zdvojnásobiť a dosiahnuť teoretické hodnoty až 80%.

Termo-fotovoltický článok, na ktorého vývoji v MIT pracujú už niekoľko rokov, využíva konverziu, pri ktorej slnečné žiarenie zohreje adsorbčný materiál a ten potom vyžaruje špecifické vlnové dĺžky elektromagnetického žiarenia. Toto žiarenie sa vo fotovoltickom článku mení na elektrickú energiu.

Kľúčom je použitie high-tech materiálov zvaných nanofotonické kryštály, ktoré dokážu pri zahriatí vydávať svetlo presnej vlnovej dĺžky. V teste boli nanofotonické kryštály integrované do systému v podobe zvislých uhlíkových nanotrubičiek, pracujúcich pri vysokej teplote 1000 °C.

Uhlíkové nanotrubičky sú podľa výskumníkov prakticky ideálnym absorbérom v celom farebnom spektre, čo umožňuje zachytiť celé slnečné spektrum. Všetka energia fotónov sa tak premení na teplo a následne sa opäť vyžiari ako svetlo. Ale vďaka nanofotonickým štruktúram je prevedená iba na farby, ktoré sú optimálne pre najvyššiu účinnosť solárnych buniek.

Výhodou je, že takéto solárne panely môžu efektívne pracovať aj pri zatiahnutej oblohe a s obmedzenou účinnosťou aj v noci, pokiaľ sa cez deň stihne naakumulovať dostatok tepla.