Солнечные батареи становятся все дешевле и эффективнее: их цена каждый год падает на несколько процентов, а КПД массово выпускаемых фотоэлементов достиг 20%, и ежегодно он прибавляет несколько десятых процента. Однако, несмотря на все усовершенствования, у «солнечной» отрасли альтернативной энергетики есть принципиальный недостаток — она не выдает электричество по ночам.
Решить данную проблему взялись исследователи из США и Японии, разработавшие и сконструировавшие устройство, которое можно назвать солнечной батареей навыворот: оно вырабатывает ток не поглощая фотоны, а излучая их. Такой источник энергии мог бы питать различное оборудование в темное время суток, утверждают ученые.
Как сообщается, в основе разработки лежит эффект отрицательной освещенности. Он заключается в том, что фотодиод может не только поглощать приходящие из внешней среды фотоны (как в обычной солнечной батарее), но и, наоборот, отдавать их. На этот процесс тратится энергия, запасенная в устройстве в виде тепла, вследствие чего оно начинает остывать. А там, где есть разница температур, ее можно использовать для генерации электричества.
Правда, для работы такого устройства нужна «бесконечно» холодная среда, в которую излучение будет уходить, не возвращаясь обратно. И такая среда у нас под рукой, вернее, над головой: это открытый космос.
Для того, чтобы устройство могло отдавать тепло как можно большей площади неба, ученые использовали полусферическую линзу из арсенида галлия (GaAs) и прозрачное для инфракрасного излучения окно из феррида бария (BaFe2), а также большое параболическое зеркало — последнее, образно говоря, фокусирует темноту. В фокусе зеркала находится выполненный из соединения ртути, кадмия и теллура фотодиод, эффективно излучающий фотоны в среднем инфракрасном диапазоне (на этих длинах волн атмосфера достаточно прозрачна).
Вопрос с пополнением энергии для фотодиода ученые решили, обеспечив устройству тепловой контакт с нагретой за день поверхностью планеты при помощи радиатора, способного улавливать идущее с земли тепло, и металлической подложки, позволяющих восполнять дефицит энергии за счет теплопроводности.
Таким образом, днем фотодиод работает как солнечный фотоэлемент, а ночью остывает за счет испускания инфракрасных лучей прямиком в ночное небо. В результате его температура оказывается ниже, чем у подложки. Преобразование же разницы температур возложено на элемент Пельтье, давно известное полупроводниковое устройство. При пропускании электрического тока одна сторона его нагревается, а другая остывает (этот эффект используют в компактных холодильниках), и наоборот: при нагреве одной стороны и охлаждении другой, элемент Пельтье выдает электрическое напряжение. Расположив такое устройство в своей установке (подсоединив одну его часть к подложке, а другую — к фотодиоду), ученые смогли извлечь немного электроэнергии «из холода Вселенной».
В проведенном эксперименте исследователи получили ничтожно малую мощность — 64 нановатта на квадратный метр поверхности. Этого мало даже для самых нетребовательных приборов. Но во-первых, это все равно больше, чем ноль, а во-вторых, теоретические расчеты показывают, что мощность можно поднять вплоть до 4 ватт на квадратный метр. Это также гораздо меньше, чем у современных солнечных батарей (100–200 ватт на квадратный метр), но вполне достаточно для питания некоторых устройств.
В настоящее время авторы заняты поисками химических соединений для фотодиода, которые позволят сделать эффект отрицательной освещенности более выраженным. Кроме того, по мысли авторов, разработанную ими технологию можно будет использовать не только для выработки электроэнергии ночью, но и для утилизации тепла, выделяющегося при работе различных механизмов, например, станков.