Termofotogalvaanikute (thermophotovoltaic, TPV) idee on elanud enam kui 50 aastat. Ühe ränisiirdega fotoraku teoreetiline efektiivsuse maksimumpiir on 37,7 %, selle määrab Sockley-Queisseri piir (loe siit). Mitmik-ränisiirde maksimaalne efektiivsus on 87 %. Ent need numbrid on antud ideaaltingimuste jaoks. Termofotogalvaanilise päiksepaneeli efektiivsus oleks ka keskmise ilma korral üle 80 %.
Hoolimata teooriast pole laborites termofotogalvaanikute efektiivsus eriti üle 8% küündinud. Põhiprobleemiks on soojuskiirguri, termofotogalvaanilise elemendi ühe põhikonponendi kesine temperatuuritaluvus. Senini pole leitud piisavalt vastupidavat materjali.
Stanfordi Ülikooli, Illinoisi Urbana Champaign Ülikooli ning Põhja-Carolina osariigi Ülikooli töörühm avastas, et soojuskiirgurites kasutatava volframelemendi vastupidavust tõhustab selle katmine keraamikute materjaliklassi kuuluva hafniumoksiidiga. Teadlaste töö avaldati mainekas ajakirjas Nature Communications.
Hafniumoksiidiga kaetud volframstruktuuri lagunemine kestva kõrge temperatuuri tõttu.
Töös selgus, et nanomeetri täpsusega kasvatatud kihilise hafniumoksiidiga kaetud volfram on stabiilne kuni 1400 0C kraadini. Möödunud prototüüpseadmed lagunesid temperatuuril 1200 0C.
„Tegemist on, nagu numbritestki näha, olulise parendusega nii soojuskiirguri mehaanilisele stabiilsusele kui termofotogalvaanikute teadusele laiemalt,“ selgitas pressiteates Stanfordi Ülikooli rakendusliku elektriteaduse professor Shanhui Fan.
Klassikalise fotogalvaaniku ning termofotogalvaaniku põhiline erinevus on soojuskiirguse allikas. Esimesel juhul on kiirguse allikas Päike.
Õnnetuseks on klassikaline fotogalvaanik vastuvõtlik suuresti vaid infrapunasele kiirgusele. Ülejäänud osa Päikese kiirgusspektrist läheb soojuskao teed. Termofotogalvaaniku soojuskiirgur on päikese ning fotogalvaanilise dioodi vaheetapp. See muudab kõrgema energiaga Päikese kiirguse infrapunakiirguseks, mida fotogalvaaniline diood edasi elektriks muundab.
„Otse öeldes muundame kiirguse dioodile sobivaks,“ seletas Fan pressiteates.
Uus, keraamikuga kaetud soojuskiirgur on eelkäijatest küll stabiilsem, ent stabiilsus ei kesta rakenduslikus mõttes piisavalt kaua.
Temperatuuril 1000 0C töötas kiirgur soovitud viisil üle 12 tunni. 1400 0C temperatuuril katkes töö ligikaudu tunni aja möödudes.
Olgugi, et 1 või 12 tundi töötav päikesepaneel pole kuigi paslik, on need numbrid aparaadi arengus olulised näitajad. Paljud eksperdid arvasid, et eelmainitud temperatuurilävendite saavutamine on sootuks võimatu.
„Nagu öeldakse, räägivad tulemused selget keelt.Näitasime esimestena, et keraamikud parendavad soojuskiirgurite vastupidavust. Avastusest saavad kasu ka teised uurimissuunad, näiteks kõrgtemperatuurne katalüüs ja elektrokeemiline energiatalletus,“ põhjendas artikli esiautor Kevin Arpin.
Allikas: Spectrum.ieee.org
Leave a Reply