Solcell nyttjar både ljus och värme

En helt ny typ av solcell som omvandlar såväl värme som ljus till elektrisk ström har visats upp av forskare på Stanford. Tekniken har potential att bli dubbelt så effektiv som dagens solceller, och kan på sikt alstra el till konkurrenskraftig kostnad.

Dagens solenergi bygger på en av två principer - antingen alstras elström från halvledarbaserade solceller eller så alstras värme genom någon form av koncentration eller värmeväxling. Forskare vid Stanford under ledning av professor Nick Melosh har nu utvecklat en teknik alstrar el från såväl ljuset som värmen.

Tekniken kallas Pete, Photon enhanced thermionic emission, och beskrivs i augustiutgåvan av tidskriften Nature Materials (länk).

– Det handlar verkligen om ett genombrott för en ny energiomvandlingsprocess, inte bara ett nytt material eller en förbättrad metod. Det är faktiskt ett fundamentalt nytt sätt att ta vara på energi, säger Nick Melosh på Stanfords hemsida (länk).

Grundtanken bakom innovationen är att ta vara på den värme som uppstår i solceller, eftersom dessa bara kan omvandla en del av ljusets spektrum till elström. Värmen som alstras i den processen - minst hälften av energin - har hittills inte kunnat utnyttjas eftersom värmeväxling kräver högre temperaturskillnader, och höga temperaturer i sin tur skadar halvledarna i solcellerna.

Melosh och hans forskare kom fram till att en beläggning av cesium på halvledarna var hemligheten bakom att kunna utnyttja både ljus och värme.

– Det vi har demonstrerat är en ny fysikalisk process som inte bygger på vanliga fotovoltaiska mekanismer men kan ge en liknande respons vid mycket höga temperaturer, förklarar Melosh.

Vanliga solceller tappar sin effekt vid temperaturer över 100 grader C. Med Pete-celler ligger den optimala temperaturen mellan 200 och 1000 grader C. En tanke är därför att prova tekniken i solkoncentratorer, liknande de som nu byggs upp i bland annat Mojaveöknen, där temperaturen kan nå uppemot 800 grader C. Enligt Melosh kan verkningsgraden i så fall nå uppemot 50 procent. Och kombineras Pete-processen med en värmeväxlare så kan utfallet bli hela 60 procent, hävdar han.

Den demonstrator som forskarna visat upp är byggd i galliumnitrid, ett halvledarmaterial som klarar höga temperaturer. Framöver ska andra material också provas, i första hand galliumarsenid. Vilket material som är bäst för ändamålet är långt ifrån klarlagt.

– Men oavsett material tror vi att en sextumsskiva är allt som behövs för varje enhet. Så materialkostnaden borde inte vara något problem för oss, till skillnad mot de som gör stora solpaneler i kisel, säger Melosh.

Bilden visar en Pete-enhet under test i vakuumkammare. Foto Nick Melosh.