تحويل الطاقة الكهروضوئية الحرارية

📅 آخر تحديث: ٢٩ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٩ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 4 صور
الموسوعة الحرة

يُعدّ تحويل الطاقة الكهروضوئية الحرارية ( TPV ) عملية تحويل مباشرة من الحرارة إلى الكهرباء عبر الفوتونات . ويتكون النظام الكهروضوئي الحراري الأساسي من جسم ساخن يُصدر إشعاعًا حراريًا وخلية كهروضوئية مشابهة للخلايا الشمسية ولكنها مُصممة خصيصًا للطيف المنبعث من الجسم الساخن. [ 1 ]

نظراً لأن أنظمة الخلايا الكهروضوئية الحرارية تعمل عموماً في درجات حرارة أقل من الخلايا الشمسية، فإن كفاءتها تميل إلى الانخفاض. ويُعدّ استخدام الخلايا متعددة الوصلات المصنوعة من مواد غير السيليكون حلاً شائعاً لتعويض هذا النقص، ولكنه مكلف للغاية في الغالب. وهذا ما يحدّ حالياً من استخدامات هذه الأنظمة في مجالات متخصصة، مثل تزويد المركبات الفضائية بالطاقة وجمع الحرارة المهدرة من أنظمة أكبر كالتوربينات البخارية .

المفهوم العام

الطاقة الشمسية الكهروضوئية

تعمل الخلايا الكهروضوئية التقليدية عن طريق إنشاء وصلة ثنائية من نوع p-n بالقرب من السطح الأمامي لمادة شبه موصلة رقيقة . عندما تصطدم الفوتونات التي تتجاوز طاقة فجوة النطاق للمادة بذرات داخل الطبقة السفلية للمادة، أسفل الوصلة، يتم إثارة الإلكترون ضوئيًا ويتحرر من ذرته. تُنشئ الوصلة مجالًا كهربائيًا يُسرّع الإلكترون للأمام داخل الخلية حتى يتجاوز الوصلة ويصبح حرًا في الحركة إلى الأقطاب الكهربائية الرقيقة المُشكّلة على السطح. يسمح توصيل سلك من الأمام إلى الخلف للإلكترونات بالتدفق عائدةً إلى المادة الأساسية وإكمال الدائرة الكهربائية. [ 2 ]

لا تُطلق الفوتونات ذات الطاقة الأقل من فجوة النطاق إلكترونات. أما الفوتونات ذات الطاقة الأعلى من فجوة النطاق فتُطلق إلكترونات ذات طاقة أعلى، والتي تميل إلى التوازن الحراري داخل المادة وتفقد طاقتها الزائدة على شكل حرارة. عند زيادة فجوة النطاق في الخلية، ستمتلك الإلكترونات المنبعثة طاقة أعلى عند وصولها إلى الوصلة، مما يؤدي إلى جهد أعلى ، ولكن هذا سيقلل من عدد الإلكترونات المنبعثة لأن عددًا أكبر من الفوتونات سيكون دون طاقة فجوة النطاق، وبالتالي سيولد تيارًا أقل . وبما أن القدرة الكهربائية هي حاصل ضرب الجهد والتيار، فهناك نقطة مثالية تُحقق عندها القدرة الكلية الناتجة أقصى قيمة لها. [ 3 ]

يُقاس الإشعاع الشمسي الأرضي عادةً بمعيار يُعرف باسم كتلة الهواء 1.5 (AM1.5). ويُقارب هذا المعيار 1000  واط من الطاقة لكل متر مربع عند درجة حرارة ظاهرية تبلغ 5780  كلفن. عند هذه الدرجة، يكون حوالي نصف الطاقة الواصلة إلى السطح في نطاق الأشعة تحت الحمراء . وبناءً على هذه الدرجة، يصل إنتاج الطاقة إلى أقصى حد له عندما تكون فجوة النطاق حوالي 1.4  إلكترون فولت، في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة . ويُصادف أن هذه القيمة قريبة جدًا من فجوة النطاق في السيليكون المُطعّم ، والتي تبلغ 1.1  إلكترون فولت، مما يجعل إنتاج الخلايا الكهروضوئية الشمسية غير مكلف. [ 3 ]

هذا يعني أن كل الطاقة في نطاق الأشعة تحت الحمراء وما دونه، أي ما يقارب نصف طاقة AM1.5، تُهدر. وقد استمر البحث في الخلايا المصنوعة من عدة طبقات مختلفة، لكل منها فجوة نطاق مختلفة، وبالتالي فهي مُصممة لجزء مختلف من الطيف الشمسي. اعتبارًا من عام 2022تتوفر تجارياً خلايا ذات كفاءة إجمالية في حدود 40%، على الرغم من أنها باهظة الثمن للغاية ولم تشهد استخداماً واسع النطاق خارج أدوار محددة مثل تزويد المركبات الفضائية بالطاقة ، حيث لا يمثل السعر عاملاً مهماً. [ 4 ]

TPV

لا تحتوي أطياف درجات الحرارة المرتفعة على طاقة إجمالية أكبر فحسب، بل تتركز هذه الطاقة أيضًا في ذروة أكثر تركيزًا. أما مصادر درجات الحرارة المنخفضة، التي يكون خطها السفلي قريبًا من خط شعلة اللحام ، فتوزع طاقتها على نطاق أوسع بكثير. ويتطلب جمع هذه الطاقة بكفاءة خلايا متعددة الطبقات.

يمكن استخدام عملية الانبعاث الضوئي نفسها لإنتاج الكهرباء من أي طيف، على الرغم من أن عدد مواد أشباه الموصلات التي تمتلك فجوة نطاق مناسبة تمامًا لجسم ساخن معين محدود. لذا، ثمة حاجة إلى أشباه موصلات ذات فجوات نطاق قابلة للتعديل. كما يصعب إنتاج طاقة حرارية مماثلة للطاقة الشمسية؛ إذ تبلغ درجة حرارة شعلة الأوكسي أسيتيلين حوالي 3400  كلفن (3126 درجة مئوية تقريبًا )، بينما تحترق  مصادر الحرارة التجارية الشائعة، مثل الفحم والغاز الطبيعي، عند درجات حرارة أقل بكثير تتراوح بين 900  و1300  درجة مئوية. وهذا يُقيّد المواد المناسبة. في حالة الخلايا الكهروضوئية الحرارية، ركزت معظم الأبحاث على أنتيمونيد الغاليوم (GaSb)، على الرغم من أن الجرمانيوم (Ge) مناسب أيضًا. [ 5 ]

تتمثل إحدى المشكلات الأخرى لمصادر الطاقة ذات درجات الحرارة المنخفضة في تشتت طاقتها، وفقًا لقانون إزاحة فين . فبينما يُمكن تصنيع خلية شمسية عملية ذات فجوة نطاق واحدة مضبوطة على ذروة الطيف وتجاهل الفقد في منطقة الأشعة تحت الحمراء، فإن فعل الشيء نفسه مع مصدر طاقة ذي درجة حرارة منخفضة سيؤدي إلى فقدان جزء أكبر بكثير من الطاقة الكامنة، ما ينتج عنه كفاءة إجمالية منخفضة للغاية. وهذا يعني أن أنظمة الخلايا الكهروضوئية الحرارية (TPV) تستخدم في الغالب خلايا متعددة الوصلات لتحقيق كفاءات معقولة تتجاوز 10%. وتهدف الأبحاث الحالية في هذا المجال إلى زيادة كفاءة النظام مع الحفاظ على انخفاض تكلفته، [ 6 ] ولكن حتى مع ذلك، فإن أدوارها غالبًا ما تكون محدودة، على غرار أدوار الخلايا الشمسية متعددة الوصلات.

تصاميم فعلية

تتكون أنظمة الخلايا الكهروضوئية الحرارية عمومًا من مصدر حراري، وباعث، ونظام لتصريف الحرارة المهدرة. توضع الخلايا الكهروضوئية الحرارية بين الباعث، الذي غالبًا ما يكون كتلة معدنية أو ما شابه، ونظام التبريد، الذي غالبًا ما يكون مشعًا سلبيًا. تعمل أنظمة الخلايا الكهروضوئية عمومًا بكفاءة أقل مع ارتفاع درجة الحرارة، وفي أنظمة الخلايا الكهروضوئية الحرارية، يُعد الحفاظ على برودة الخلايا الكهروضوئية تحديًا كبيرًا. [ 7 ]

يتناقض هذا مع مفهوم ذي صلة إلى حد ما، وهو الخلايا "الحرارية الإشعاعية" أو "الانبعاث السلبي"، حيث يكون الصمام الثنائي الضوئي على الجانب الساخن من المحرك الحراري. [ 8 ] [ 9 ] كما تم اقتراح أنظمة تستخدم جهازًا حراريًا إشعاعيًا كمصدر إشعاع في نظام الخلايا الكهروضوئية الحرارية، مما يسمح نظريًا باستخلاص الطاقة من كل من الصمام الثنائي الضوئي الساخن والبارد. [ 10 ]

التطبيقات

مولدات الطاقة الحرارية النووية

تستخدم مولدات الطاقة الكهروحرارية التقليدية التي تعمل بالنظائر المشعة (RTGs) لتزويد المركبات الفضائية بالطاقة مادة مشعة، حيث يُستخدم إشعاعها لتسخين كتلة من المادة، ثم يُحوّل هذا الإشعاع إلى كهرباء باستخدام مزدوج حراري . تتميز المزدوجات الحرارية بانخفاض كفاءتها، ويمكن أن يُحسّن استبدالها بتقنية الخلايا الكهروضوئية الحرارية (TPV) الكفاءة بشكل ملحوظ، مما يُتيح استخدام مولدات طاقة كهروحرارية أصغر حجمًا وأخف وزنًا لأي مهمة فضائية. وقد أظهرت أنظمة تجريبية طورتها شركات Emcore (مُصنّعة للخلايا الشمسية متعددة الوصلات)، وCreare، و Oak Ridge ، ومركز Glenn للأبحاث التابع لناسا ، كفاءة تتراوح بين 15 و20%. كما طورت جامعة هيوستن مفهومًا مشابهًا حقق كفاءة تصل إلى 30%، أي بزيادة تتراوح بين 3 و4 أضعاف مقارنةً بالأنظمة الحالية. [ 11 ] [ 5 ]

تخزين الطاقة الحرارية الكهربائية

يُعدّ استخدام الخلايا الكهروضوئية الحرارية كأساس لنظام تخزين حراري مجالًا آخرًا للبحث النشط. في هذا المفهوم، تُستخدم الكهرباء المُولّدة في أوقات انخفاض الطلب لتسخين كتلة كبيرة من مادة ما، عادةً ما تكون من الكربون أو مادة متغيرة الطور . تُحاط هذه المادة بخلايا كهروضوئية حرارية مدعومة بدورها بعاكس وعازل. أثناء التخزين، تُطفأ الخلايا الكهروضوئية الحرارية، فتمر الفوتونات عبرها وتنعكس عائدةً إلى مصدر الحرارة العالية. وعند الحاجة إلى الطاقة، يتم توصيل الخلايا الكهروضوئية الحرارية بحمل كهربائي.

تجميع الحرارة المهدرة

تم اقتراح خلايا TPV كأجهزة تحويل طاقة مساعدة لالتقاط الحرارة المفقودة في أنظمة توليد الطاقة الأخرى، مثل أنظمة التوربينات البخارية أو الخلايا الشمسية.

تاريخ

قام هنري كولم بإنشاء نظام كهروضوئي حراري أولي في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا عام 1956. ومع ذلك، يُنسب اختراع هذا النظام على نطاق واسع إلى بيير إيجرين استنادًا إلى محاضرات ألقاها في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا بين عامي 1960 و1961، والتي أدت، على عكس نظام كولم، إلى البحث والتطوير. [ 12 ]

في ثمانينيات القرن العشرين، وصلت الكفاءة إلى ما يقارب 30%. [ 13 ] [ 14 ]

في عام 1997، تم بناء نموذج أولي لسيارة هجينة تعمل بتقنية TPV، وهي سيارة "فايكنغ 29" (TPV)، التي صممها وبناها معهد أبحاث المركبات (VRI) في جامعة غرب واشنطن . [ 15 ] [ 16 ]

في عام 2022، أعلن معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا / المختبر الوطني للطاقة المتجددة عن جهاز بكفاءة 41%. استخدم الممتص طبقات متعددة من أشباه الموصلات من النوع III-V مُصممة لامتصاص فوتونات متنوعة، تشمل الأشعة فوق البنفسجية والضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء. وقام عاكس ذهبي بإعادة تدوير الفوتونات غير الممتصة. عمل الجهاز عند درجة حرارة 2400 درجة مئوية، وهي درجة الحرارة التي يصل عندها باعث التنجستن إلى أقصى سطوع. [ 14 ] [ 17 ]

في مايو 2024، أعلن باحثون عن جهاز حقق كفاءة بلغت 44% باستخدام كربيد السيليكون (SiC) كمادة لتخزين الحرارة (باعث) [ 18 ] . عند درجة حرارة 1435 درجة مئوية (2615 درجة فهرنهايت)، يشع الجهاز فوتونات حرارية بمستويات طاقة مختلفة. يمتص شبه الموصل ما بين 20 و30% من الفوتونات [ 19 ] . تتضمن الطبقات الإضافية طبقة من الهواء وطبقة عاكسة من الذهب [ 19 ] .

تفاصيل

كفاءة

الحد الأعلى لكفاءة الخلايا الكهروضوئية الحرارية (وجميع الأنظمة التي تحول الطاقة الحرارية إلى شغل) هو كفاءة كارنو ، وهي كفاءة محرك حراري مثالي . تُعطى هذه الكفاءة بالمعادلة التالية:

η=1-تيجهـللتيهـمأنات{\displaystyle \eta =1-{\frac {T_{cell}}{T_{emit}}}}

حيث تمثل T<sub> cell </sub> درجة حرارة محول الخلايا الكهروضوئية. يمكن للأنظمة العملية تحقيق T<sub> cell </sub> ≈ 300 كلفن و T<sub> emit </sub> ≈ 1800 كلفن، مما يعطي كفاءة قصوى ممكنة تبلغ حوالي 83%. يفترض هذا أن الخلايا الكهروضوئية تحول الإشعاع إلى طاقة كهربائية دون فقدان، مثل التسخين الحراري أو تسخين جول ، على الرغم من أن عدم كفاءة الخلايا الكهروضوئية في الواقع كبير جدًا. في الأجهزة الحقيقية، اعتبارًا من عام 2021، كانت أعلى كفاءة تم إثباتها في المختبر 35% عند درجة حرارة باعث تبلغ 1773 كلفن. [ 20 ] هذه هي الكفاءة من حيث تحويل مدخلات الحرارة إلى طاقة كهربائية. في أنظمة الخلايا الكهروضوئية الحرارية الكاملة، قد تُذكر كفاءة إجمالية أقل للنظام بما في ذلك مصدر الحرارة، لذلك على سبيل المثال، قد تُبلغ أنظمة الخلايا الكهروضوئية الحرارية التي تعمل بالوقود عن كفاءات من حيث تحويل طاقة الوقود إلى طاقة كهربائية، وفي هذه الحالة تُعتبر 5% مستوى كفاءة "رقمًا قياسيًا عالميًا". [ 21 ] تنخفض الكفاءات في العالم الحقيقي بسبب تأثيرات مثل فقدان نقل الحرارة، وكفاءة التحويل الكهربائي (غالبًا ما تكون مخرجات جهد TPV منخفضة جدًا)، والخسائر الناتجة عن التبريد النشط للخلية الكهروضوئية.

البواعث

تؤدي الانحرافات عن الامتصاص المثالي وسلوك الجسم الأسود المثالي إلى فقدان الضوء. بالنسبة للمُشعّات الانتقائية، قد لا يتم تحويل أي ضوء ينبعث بأطوال موجية لا تتوافق مع طاقة فجوة النطاق للخلايا الكهروضوئية بكفاءة، مما يقلل من الكفاءة. على وجه الخصوص، يصعب تجنب الانبعاثات المرتبطة برنين الفونون للأطوال الموجية في نطاق الأشعة تحت الحمراء العميقة ، والتي لا يمكن تحويلها عمليًا. لا يُصدر المُشعّ المثالي أي ضوء بأطوال موجية أخرى غير طاقة فجوة النطاق، ويُكرّس جزء كبير من أبحاث الخلايا الكهروضوئية الحرارية لتطوير مُشعّات تُقارب بشكل أفضل طيف الانبعاث الضيق هذا.

الفلاتر

بالنسبة للأجسام السوداء أو البواعث الانتقائية غير المثالية، تعكس المرشحات الأطوال الموجية غير المناسبة إلى الباعث. هذه المرشحات غير مثالية، فأي ضوء يُمتص أو يتشتت ولا يُعاد توجيهه إلى الباعث أو المحول يُفقد، عادةً على شكل حرارة. في المقابل، غالبًا ما تعكس المرشحات العملية نسبة ضئيلة من الضوء ضمن نطاقات الأطوال الموجية المطلوبة. كلا الأمرين يُعدّان من أوجه القصور. كما يُساهم امتصاص الأطوال الموجية غير المثلى بواسطة الجهاز الكهروضوئي في انخفاض الكفاءة، وله تأثير إضافي يتمثل في تسخينه، مما يُقلل الكفاءة أيضًا.

المحولات

حتى في الأنظمة التي لا يمرر فيها إلى المحول الكهروضوئي إلا الضوء ذو الأطوال الموجية المثلى، توجد أوجه قصور مرتبطة بإعادة التركيب غير الإشعاعي والفقد الأومي . كما توجد خسائر ناتجة عن انعكاسات فرينل على سطح الخلية الكهروضوئية، والضوء ذي الطول الموجي الأمثل الذي يمر عبر الخلية دون امتصاص، وفرق الطاقة بين الفوتونات ذات الطاقة العالية وطاقة فجوة النطاق (مع أن هذا الفرق يميل إلى أن يكون أقل أهمية مما هو عليه في الخلايا الكهروضوئية الشمسية). تميل خسائر إعادة التركيب غير الإشعاعي إلى أن تصبح أقل أهمية مع زيادة شدة الضوء، بينما تزداد مع ارتفاع درجة الحرارة، لذا يجب على الأنظمة العملية مراعاة شدة الضوء الناتجة عن تصميم معين ودرجة حرارة تشغيل محددة .

الهندسة

في النظام المثالي، يُحاط الباعث بمحولات ضوئية لضمان عدم فقدان أي ضوء. أما في الواقع، فيجب أن تستوعب التصاميم الهندسية الطاقة المُدخلة (حقن الوقود أو الضوء المُدخل) المستخدمة لتسخين الباعث. إضافةً إلى ذلك، حالت التكاليف دون إحاطة المرشح بمحولات ضوئية. عندما يُعيد الباعث إصدار الضوء، فإن أي جزء منه لا يصل إلى المحولات يُفقد. يمكن استخدام المرايا لإعادة توجيه جزء من هذا الضوء إلى الباعث، إلا أن المرايا قد تُسبب فقدانًا للضوء.

إشعاع الجسم الأسود

بالنسبة للأجسام السوداء التي يتم فيها إعادة تدوير الفوتونات عبر المرشحات، ينص قانون بلانك على أن الجسم الأسود ينبعث منه ضوء ذو طيف محدد بواسطة:

أنا′(λ،تي)=2حج2λ51هـحجλكتي-1{\displaystyle I'(\lambda ,T)={\frac {2hc^{2}}{\lambda ^{5}}}{\frac {1}{e^{\frac {hc}{\lambda kT}}-1}}}

حيث I ′ هو التدفق الضوئي لطول موجي محدد، λ ، بوحدة 1  م⁻³ ث⁻¹ . h هو ثابت بلانك ، k هو ثابت بولتزمان ، c هي سرعة الضوء، و T<sub> emit </sub> هي درجة حرارة المصدر. بالتالي، يمكن إيجاد التدفق الضوئي بأطوال موجية ضمن نطاق محدد بالتكامل على هذا النطاق. ويُحدد الطول الموجي الأقصى بواسطة درجة الحرارة T <sub> emit</sub> بناءً على قانون إزاحة فين . λمأx=بتي،{\displaystyle \lambda _{\mathrm {max} }={\frac {b}{T}},} حيث b هو ثابت إزاحة فين. بالنسبة لمعظم المواد، تبلغ أقصى درجة حرارة يمكن أن يعمل عندها الباعث بثبات حوالي 1800  درجة مئوية. وهذا يتوافق مع شدة تبلغ ذروتها عند λ ≅ 1600  نانومتر أو طاقة تبلغ حوالي 0.75  إلكترون فولت. أما عند درجات حرارة تشغيل أكثر منطقية تبلغ 1200  درجة مئوية، فتنخفض هذه الشدة إلى حوالي 0.5  إلكترون فولت. تحدد هذه الطاقات نطاق فجوات الطاقة اللازمة لمحولات TPV العملية (على الرغم من أن ذروة القدرة الطيفية أعلى قليلاً). تُعد مواد الخلايا الكهروضوئية التقليدية مثل السيليكون (1.1  إلكترون فولت) وجاليوم أرسينيد (1.4  إلكترون فولت) أقل عملية بكثير لأنظمة TPV، حيث تكون شدة طيف الجسم الأسود منخفضة عند هذه الطاقات بالنسبة للبواعث في درجات الحرارة الواقعية.

اختيار المكونات والمواد الفعالة

البواعث

تُعدّ الكفاءة ومقاومة الحرارة والتكلفة العوامل الرئيسية الثلاثة لاختيار باعثات الخلايا الكهروضوئية الحرارية. وتُحدد الكفاءة بنسبة الطاقة الممتصة إلى الإشعاع الوارد. ويُعدّ التشغيل في درجات حرارة عالية أمرًا بالغ الأهمية، لأن الكفاءة تزداد مع ارتفاع درجة حرارة التشغيل. ومع ارتفاع درجة حرارة الباعث، يتحول إشعاع الجسم الأسود إلى أطوال موجية أقصر، مما يسمح بامتصاص أكثر كفاءة بواسطة الخلايا الكهروضوئية.

كربيد السيليكون متعدد البلورات

يُعدّ كربيد السيليكون متعدد البلورات (SiC) أكثر المواد المُشعّة شيوعًا في الخلايا الكهروضوئية الحرارية المُستخدمة في الاحتراق. يتميز SiC بثباته الحراري حتى درجة حرارة 1700  درجة مئوية تقريبًا. مع ذلك، يُشعّ SiC معظم طاقته في نطاق الأطوال الموجية الطويلة، وهي طاقة أقل بكثير من طاقة الخلايا الكهروضوئية ذات فجوة النطاق الأضيق. لا يتم تحويل هذا الإشعاع إلى طاقة كهربائية. ولكن، يُمكن استخدام مرشحات انتقائية غير ماصة أمام الخلية الكهروضوئية [ 22 ] ، أو مرايا مُرسبّة على الجانب الخلفي منها [ 23 ]، لعكس الأطوال الموجية الطويلة إلى المُشعّ، وبالتالي إعادة تدوير الطاقة غير المُحوّلة. إضافةً إلى ذلك، يُعدّ كربيد السيليكون متعدد البلورات غير مُكلف.

التنجستن

يُعدّ التنجستن أكثر المعادن المقاومة للحرارة شيوعًا ، ويمكن استخدامه كمصدر انتقائي للإشعاع. [ 24 ] يتميز التنجستن بانبعاثية عالية في نطاق الضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء القريبة، تتراوح بين 0.45 و0.47، وانبعاثية منخفضة تتراوح بين 0.1 و0.2 في نطاق الأشعة تحت الحمراء. [ 25 ] عادةً ما يكون مصدر الإشعاع أسطوانيًا بقاعدة مغلقة، يمكن اعتبارها تجويفًا. يُثبّت مصدر الإشعاع على الجزء الخلفي من مادة ماصة للحرارة، مثل كربيد السيليكون، ويحافظ على درجة حرارة ثابتة. يحدث الإشعاع في نطاق الضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء القريبة، ويمكن تحويله بسهولة بواسطة الخلايا الكهروضوئية إلى طاقة كهربائية. مع ذلك، يتأكسد التنجستن بسهولة أكبر مقارنةً بالمعادن الأخرى.

أكاسيد العناصر الأرضية النادرة

تُعدّ أكاسيد العناصر الأرضية النادرة ، مثل أكسيد الإيتربيوم (Yb₂O₃ ) وأكسيد الإربيوم (Er₂O₃ ) ، من أكثر المواد الباعثة الانتقائية شيوعًا . تُصدر هذه الأكاسيد نطاقًا ضيقًا من الأطوال الموجية في منطقة الأشعة تحت الحمراء القريبة، مما يسمح بتخصيص أطياف الانبعاث لتتوافق بشكل أفضل مع خصائص امتصاص مادة معينة من مواد الخلايا الكهروضوئية. تقع ذروة طيف الانبعاث عند 1.29 إلكترون فولت لأكسيد الإيتربيوم، و 0.827 إلكترون فولت لأكسيد الإربيوم . ونتيجةً لذلك، يُمكن استخدام أكسيد الإيتربيوم كمادة باعثة انتقائية لخلايا السيليكون، بينما يُمكن استخدام أكسيد الإربيوم كمادة باعثة انتقائية لخلايا GaSb أو InGaAs. مع ذلك، يُؤدي عدم التوافق الطفيف بين ذروة الانبعاث وفجوة النطاق للمادة الماصة إلى انخفاض ملحوظ في الكفاءة. لا يُصبح الانبعاث الانتقائي ذا أهمية إلا عند درجة حرارة 1100 درجة مئوية، ويزداد مع ارتفاع درجة الحرارة. عند درجات حرارة أقل من 1700 درجة مئوية، يكون الانبعاث الانتقائي لأكاسيد العناصر الأرضية النادرة منخفضًا نسبيًا، مما يُقلل الكفاءة. حاليًا، تم تحقيق كفاءة بنسبة 13% باستخدام خلايا ضوئية مصنوعة من أكسيد الإيتربيوم (Yb₂O₃ ) والسيليكون . وبشكل عام، لم تُحقق البواعث الانتقائية نجاحًا يُذكر. في أغلب الأحيان، تُستخدم المرشحات مع البواعث ذات الجسم الأسود لتمرير الأطوال الموجية المتوافقة مع فجوة الطاقة للخلايا الضوئية، وعكس الأطوال الموجية غير المتوافقة إلى الباعث.  

البلورات الضوئية

تتيح البلورات الضوئية تحكمًا دقيقًا في خصائص الموجات الكهرومغناطيسية. وتُنتج هذه المواد فجوة النطاق الضوئي (PBG). في النطاق الطيفي لهذه الفجوة، لا تستطيع الموجات الكهرومغناطيسية الانتشار. وتتيح هندسة هذه المواد إمكانية تعديل خصائص انبعاثها وامتصاصها، مما يسمح بتصميم باعثات أكثر فعالية. كما تسمح الباعثات الانتقائية ذات الذروات عند طاقة أعلى من ذروة الجسم الأسود (لدرجات حرارة الخلايا الكهروضوئية الحرارية العملية) باستخدام محولات ذات فجوة نطاق أوسع. وتتميز هذه المحولات عادةً بانخفاض تكلفة تصنيعها وقلة حساسيتها لدرجة الحرارة. وقد توقع باحثون في مختبرات سانديا كفاءة عالية (34% من الضوء المنبعث يتحول إلى كهرباء) استنادًا إلى باعث كهروضوئي حراري تم إثباته باستخدام بلورات ضوئية من التنجستن. [ 26 ] ومع ذلك، فإن تصنيع هذه الأجهزة صعب وغير مجدٍ تجاريًا.

الخلايا الكهروضوئية

السيليكون

ركزت الدراسات المبكرة في مجال الخلايا الكهروضوئية الحرارية على استخدام السيليكون. فتوفر السيليكون تجاريًا، وانخفاض تكلفته، وقابليته للتوسع، وسهولة تصنيعه، تجعله مادةً جذابة. مع ذلك، فإن فجوة النطاق الواسعة نسبيًا للسيليكون (1.1 إلكترون فولت) لا تُعدّ مثاليةً للاستخدام مع باعث الجسم الأسود عند درجات حرارة التشغيل المنخفضة. وتشير الحسابات إلى أن الخلايا الكهروضوئية المصنوعة من السيليكون لا تُجدي نفعًا إلا عند درجات حرارة أعلى بكثير من 2000  كلفن. ولم يُثبت حتى الآن وجود باعث قادر على العمل عند هذه الدرجات. وقد دفعت هذه الصعوبات الهندسية إلى البحث عن خلايا كهروضوئية من أشباه الموصلات ذات فجوة نطاق أصغر.

لا يزال استخدام المشعات الانتقائية مع الخلايا الكهروضوئية المصنوعة من السيليكون خيارًا مطروحًا. تعمل هذه المشعات على التخلص من الفوتونات ذات الطاقة العالية والمنخفضة، مما يقلل الحرارة المتولدة. ومن الناحية المثالية، لا تُصدر المشعات الانتقائية أي إشعاع خارج نطاق تردد محول الطاقة الكهروضوئية، مما يزيد كفاءة التحويل بشكل ملحوظ. مع ذلك، لم يتم حتى الآن تحقيق كفاءة عالية في الخلايا الكهروضوئية الحرارية باستخدام خلايا السيليكون الكهروضوئية.

الجرمانيوم

ركزت الدراسات المبكرة لأشباه الموصلات ذات فجوة الطاقة المنخفضة على الجرمانيوم (Ge). يتميز الجرمانيوم بفجوة طاقة تبلغ 0.66 إلكترون فولت، مما يسمح بتحويل نسبة أعلى بكثير من الإشعاع الوارد. مع ذلك، لوحظ ضعف الأداء بسبب الكتلة الإلكترونية الفعالة العالية للجرمانيوم. بالمقارنة مع أشباه موصلات III-V ، تؤدي الكتلة الإلكترونية الفعالة العالية للجرمانيوم إلى كثافة عالية للحالات في نطاق التوصيل، وبالتالي تركيز عالٍ لحاملات الشحنة الذاتية. ونتيجة لذلك، تتميز ثنائيات الجرمانيوم بانخفاض سريع في تيار الظلام، وبالتالي جهد دائرة مفتوحة منخفض. إضافة إلى ذلك، أثبتت عملية تخميل سطح الجرمانيوم صعوبتها.

أنتيمونيد الغاليوم

تُعدّ خلية غاليوم أنتيمونيد (GaSb) الكهروضوئية، التي اختُرعت عام 1989، [ 27 ] أساس معظم الخلايا الكهروضوئية في أنظمة الطاقة الشمسية الحرارية الحديثة. GaSb هو شبه موصل من النوع III-V ذو بنية بلورية من نوع الزنك بليند . تُعتبر خلية GaSb تطورًا هامًا نظرًا لفجوة نطاقها الضيقة التي تبلغ 0.72 إلكترون فولت. يسمح هذا لـ GaSb بالاستجابة للضوء بأطوال موجية أطول من خلية السيليكون الشمسية، مما يُتيح كثافة طاقة أعلى بالاقتران مع مصادر الانبعاثات الاصطناعية. وقد تمّ عرض خلية شمسية بكفاءة 35% باستخدام خلية كهروضوئية ثنائية الطبقات من GaAs وGaSb، [ 27 ] مسجلةً بذلك رقمًا قياسيًا في كفاءة الخلايا الشمسية .

يُعدّ تصنيع خلية ضوئية من غاليوم أنتيمونيد (GaSb) عمليةً بسيطةً نسبيًا. تتوفر رقائق GaSb من النوع n المُطعّمة بالتيلوريوم بتقنية تشوخرالسكي تجاريًا. يتمّ ترسيب الزنك بالانتشار البخاري عند درجات حرارة مرتفعة (حوالي 450 درجة مئوية) للسماح بالتطعيم من النوع p. تُشكّل نقاط التلامس الكهربائية الأمامية والخلفية باستخدام تقنيات الطباعة الضوئية التقليدية ، ثمّ تُرسّب طبقة مضادة للانعكاس. تُقدّر الكفاءة بحوالي 20% باستخدام طيف جسم أسود عند 1000 درجة مئوية. [ 28 ] يبلغ الحدّ الإشعاعي لكفاءة خلية GaSb في هذا الإعداد 52%.  

إنديوم غاليوم أرسينيد أنتيمونيد

إنديوم غاليوم أرسينيد أنتيمونيد (InGaAsSb) هو مركب شبه موصل من النوع III-V . (In x Ga 1−x As y Sb 1−y ). تسمح إضافة GaAs بتضييق فجوة النطاق (من 0.5 إلى 0.6 إلكترون فولت)، وبالتالي تحسين امتصاص الأطوال الموجية الطويلة. على وجه التحديد، تم ضبط فجوة النطاق إلى 0.55 إلكترون فولت. مع هذه الفجوة، حقق المركب كفاءة كمية داخلية موزونة بالفوتون تبلغ 79% مع عامل ملء 65% لجسم أسود عند 1100  درجة مئوية. [ 29 ] كان ذلك لجهاز تم إنتاجه على ركيزة GaSb بتقنية الترسيب الكيميائي للبخار العضوي المعدني (OMVPE). تم إنتاج أجهزة أخرى بتقنيتي الترسيب الجزيئي الشعاعي (MBE) والترسيب الكيميائي للبخار السائل (LPE). تقترب كفاءة الكم الداخلية (IQE) لهذه الأجهزة من 90%، بينما تتجاوز كفاءة الكم الداخلية للأجهزة المصنعة بالتقنيتين الأخريين 95%. [ 30 ] تكمن المشكلة الأكبر في خلايا InGaAsSb في انفصال الطور. يؤدي عدم تجانس التركيب في جميع أنحاء الجهاز إلى تدهور أدائه. عند تجنب انفصال الطور، تقترب كفاءة الكم الداخلية وعامل الملء لخلايا InGaAsSb من الحدود النظرية في نطاقات الأطوال الموجية القريبة من طاقة فجوة النطاق. مع ذلك، فإن نسبة V<sub> oc</sub> /E <sub>g</sub> بعيدة كل البعد عن النسبة المثالية. [ 30 ] الطرق الحالية لتصنيع الخلايا الكهروضوئية InGaAsSb مكلفة وغير مجدية تجاريًا.

زرنيخيد الإنديوم والغاليوم

إنديوم غاليوم أرسينيد (InGaAs) هو مركب شبه موصل من النوع III-V. يمكن استخدامه في الخلايا الكهروضوئية الحرارية (TPVs) بطريقتين. عند مطابقته شبكيًا مع ركيزة InP، يمتلك InGaAs فجوة طاقة تبلغ 0.74 إلكترون فولت، وهي ليست أفضل من GaSb. وقد تم إنتاج أجهزة بهذا التكوين بمعامل تعبئة 69% وكفاءة 15%. [ 31 ] مع ذلك، لامتصاص الفوتونات ذات الأطوال الموجية الأعلى، يمكن تعديل فجوة الطاقة بتغيير نسبة الإنديوم إلى الغاليوم. يتراوح نطاق فجوات الطاقة لهذا النظام من 0.4 إلى 1.4 إلكترون فولت تقريبًا. إلا أن هذه البنى المختلفة تُسبب إجهادًا في ركيزة InP. يمكن التحكم في هذا الإجهاد باستخدام طبقات متدرجة من InGaAs ذات تركيبات مختلفة. وقد تم ذلك لتطوير جهاز بكفاءة كمية 68% ومعامل تعبئة 68%، تم إنتاجه بتقنية الترسيب الجزيئي الشعاعي (MBE). [ 29 ] يتميز هذا الجهاز بفجوة طاقة تبلغ 0.55 إلكترون فولت، تم تحقيقها في مركب In0.68Ga0.33As . وهو مادة متطورة. يمكن تصنيع InGaAs بحيث تتطابق شبكته البلورية تمامًا مع الجرمانيوم ، مما ينتج عنه كثافة عيوب منخفضة. يُعد استخدام الجرمانيوم كركيزة ميزة كبيرة مقارنةً بالركائز الأخرى الأكثر تكلفة أو صعوبة في الإنتاج.

فوسفيد الإنديوم، زرنيخيد، أنتيمونيد

تمت زراعة سبيكة InPAsSb الرباعية باستخدام كلٍ من تقنيتي الترسيب الكيميائي للبخار العضوي المعدني (OMVPE) والترسيب الكيميائي للبخار السائل (LPE). عند مطابقة شبكتها البلورية مع InAs، يكون لها فجوة طاقة تتراوح بين 0.3 و0.55 إلكترون فولت. لم تُدرس فوائد هذه الفجوة المنخفضة للطاقة بشكلٍ معمق. لذلك، لم يتم تحسين الخلايا التي تحتوي على InPAsSb، ولا تزال أدائها غير تنافسي. بلغ أطول استجابة طيفية لخلية InPAsSb دُرست 4.3 ميكرومتر، مع استجابة قصوى عند 3 ميكرومتر. [ 30 ] بالنسبة لهذه المادة وغيرها من المواد ذات فجوة الطاقة المنخفضة، يصعب تحقيق كفاءة كمية داخلية عالية للأطوال الموجية الطويلة بسبب زيادة إعادة التركيب من نوع أوجيه .

آبار كمومية من سيلينيد الرصاص والقصدير/سيلينيد الرصاص والسترونتيوم

تم اقتراح مواد الآبار الكمومية PbSnSe/PbSrSe، التي يمكن إنتاجها بتقنية الترسيب الجزيئي الشعاعي (MBE) على ركائز السيليكون، لتصنيع أجهزة الخلايا الكهروضوئية الحرارية منخفضة التكلفة. [ 32 ] تتميز هذه المواد شبه الموصلة من النوع IV-VI بفجوات طاقة تتراوح بين 0.3 و0.6 إلكترون فولت. ويؤدي تركيبها المتماثل لنطاق الطاقة، بالإضافة إلى عدم وجود انحلال في نطاق التكافؤ، إلى انخفاض معدلات إعادة التركيب من نوع أوجيه، والتي عادةً ما تكون أقل بأكثر من رتبة مقدارية من تلك الموجودة في مواد أشباه الموصلات من النوع III-V ذات فجوة الطاقة المماثلة.

التطبيقات

تُبشّر الخلايا الكهروضوئية الحرارية (TPVs) بأنظمة طاقة فعّالة ومجدية اقتصاديًا للتطبيقات العسكرية والتجارية على حدٍ سواء. وبالمقارنة مع مصادر الطاقة التقليدية غير المتجددة، تتميز هذه الخلايا بانخفاض انبعاثات أكاسيد النيتروجين (NOx ) وهدوئها التام. تُعدّ الخلايا الكهروضوئية الحرارية الشمسية مصدرًا للطاقة المتجددة الخالية من الانبعاثات. وقد تكون هذه الخلايا أكثر كفاءة من أنظمة الخلايا الكهروضوئية التقليدية بفضل إعادة تدوير الفوتونات غير الممتصة. مع ذلك، تُقلّل الخسائر في كل مرحلة من مراحل تحويل الطاقة من الكفاءة. عند استخدام الخلايا الكهروضوئية الحرارية مع مصدر احتراق، فإنها تُوفّر الطاقة عند الطلب، ما يُغني عن الحاجة إلى تخزين الطاقة . إضافةً إلى ذلك، وبفضل قرب الخلايا الكهروضوئية من مصدر الإشعاع، يُمكن للخلايا الكهروضوئية الحرارية توليد كثافة تيار أعلى بـ 300 مرة من كثافة التيار التي تُولّدها الخلايا الكهروضوئية التقليدية.

تخزين الطاقة

طاقة محمولة

تتطلب ديناميكيات ساحة المعركة طاقة متنقلة. مولدات الديزل التقليدية ثقيلة جدًا للاستخدام الميداني. تتيح قابلية التوسع لأنظمة الطاقة الحرارية المتنقلة أن تكون أصغر حجمًا وأخف وزنًا من المولدات التقليدية. كما تتميز هذه الأنظمة بانخفاض انبعاثاتها وانعدام صوتها. ويُعدّ تشغيلها بأنواع وقود متعددة ميزة أخرى محتملة.

فشلت الأبحاث التي أُجريت في سبعينيات القرن الماضي بسبب محدودية تقنية الخلايا الكهروضوئية. إلا أن خلية GaSb الكهروضوئية أدت إلى تجدد الجهود في تسعينيات القرن الماضي، محققةً نتائج أفضل. في أوائل عام 2001، سلمت شركة JX Crystals شاحن بطاريات يعمل بتقنية الخلايا الكهروضوئية الحرارية للجيش الأمريكي ، ينتج 230 واطًا باستخدام غاز البروبان . استخدم هذا النموذج الأولي باعثًا من كربيد السيليكون يعمل عند درجة حرارة 1250  درجة مئوية، وخلايا GaSb الكهروضوئية، وكان ارتفاعه حوالي 0.5 متر. [ 33 ] بلغت كفاءة مصدر الطاقة 2.5%، محسوبةً كنسبة الطاقة المولدة إلى الطاقة الحرارية للوقود المحترق. هذه النسبة منخفضة جدًا للاستخدام العملي في ساحة المعركة. لم تصل أي من مصادر الطاقة الكهروضوئية الحرارية المحمولة إلى مرحلة الاختبار الميداني.

تخزين الشبكة

يجري البحث حاليًا في شركات مختلفة حول تحويل الطاقة الكهربائية الفائضة إلى حرارة لتخزينها بكميات كبيرة وعلى المدى الطويل، حيث تزعم هذه الشركات أن التكاليف قد تكون أقل بكثير من بطاريات الليثيوم أيون . [ 14 ] يمكن استخدام الجرافيت كوسيط تخزين، مع استخدام القصدير المنصهر لنقل الحرارة، عند درجات حرارة تقارب 2000 درجة مئوية. انظر: LaPotin, A., Schulte, KL, Steiner, MA et al. Thermophotovoltaic efficient of 40%. Nature 604, 287–291 (2022). [ 17 ]

مركبة فضائية

يجب أن توفر أنظمة توليد الطاقة الفضائية طاقة ثابتة وموثوقة دون الحاجة إلى كميات كبيرة من الوقود. ولذلك، يُعدّ الوقود الشمسي والوقود المشع (ذو الكثافة العالية جدًا للطاقة والعمر الطويل) مثاليين. وقد اقتُرحت الخلايا الكهروضوئية الحرارية لكل منهما. في حالة الطاقة الشمسية، قد تكون المركبات الفضائية المدارية مواقع أفضل للمُركِّزات الكبيرة التي قد تكون ضخمة، واللازمة للخلايا الكهروضوئية الحرارية العملية. ومع ذلك، ونظرًا لاعتبارات الوزن وعدم الكفاءة المرتبطة بالتصميم الأكثر تعقيدًا للخلايا الكهروضوئية الحرارية، لا تزال الخلايا الكهروضوئية التقليدية المحمية هي الخيار السائد.

تُنتج النظائر طاقة حرارية. في الماضي، استُخدمت الطاقة الكهروحرارية (التحويل المباشر للطاقة الحرارية إلى طاقة كهربائية دون أجزاء متحركة) لأن كفاءة الخلايا الكهروضوئية الحرارية (TPV) أقل من 10% تقريبًا، وهي النسبة التي تتمتع بها محولات الطاقة الكهروحرارية. [ 34 ] واعتُبرت محركات ستيرلينغ غير موثوقة، على الرغم من كفاءة تحويلها التي تتجاوز 20%. [ 35 ] ومع ذلك، ومع التطورات الحديثة في الخلايا الكهروضوئية ذات فجوة النطاق الصغيرة، أصبحت الخلايا الكهروضوئية الحرارية أكثر جدوى. وقد تم عرض محول نظائر مشعة يعمل بتقنية الخلايا الكهروضوئية الحرارية بكفاءة 20%، يستخدم باعثًا من التنجستن مُسخّنًا إلى 1350  كلفن، مع مرشحات مزدوجة ومحول كهروضوئي من إنديوم غاليوم أرسينيد (InGaAs) بفجوة نطاق 0.6 إلكترون فولت (مُبرّد إلى درجة حرارة الغرفة). ويُعزى حوالي 30% من الطاقة المفقودة إلى التجويف البصري والمرشحات، بينما يُعزى الباقي إلى كفاءة المحول الكهروضوئي. [ 35 ]

يُعدّ تشغيل المحوّل في درجات حرارة منخفضة أمرًا بالغ الأهمية لكفاءة أنظمة الخلايا الكهروضوئية الحرارية. فارتفاع درجة حرارة المحوّلات يزيد من تيارها المظلم، مما يُقلّل من كفاءتها. ويتم تسخين المحوّل بواسطة الإشعاع الصادر من الباعث. في الأنظمة الأرضية، من المنطقي تبديد هذه الحرارة دون استخدام طاقة إضافية باستخدام مشتت حراري . إلا أن الفضاء نظام معزول، حيث يصعب استخدام المشتتات الحرارية. لذا، من الضروري تطوير حلول مبتكرة لإزالة هذه الحرارة بكفاءة. ويمثل كلا الأمرين تحديات كبيرة. [ 34 ]

التطبيقات التجارية

مولدات الطاقة خارج الشبكة

يمكن للخلايا الكهروضوئية الحرارية توفير طاقة مستمرة للمنازل غير المتصلة بشبكة الكهرباء. لا توفر الخلايا الكهروضوئية التقليدية الطاقة خلال أشهر الشتاء والليل، بينما يمكن للخلايا الكهروضوئية الحرارية استخدام أنواع وقود بديلة لتعزيز إنتاج الطاقة الشمسية فقط.

تتمثل الميزة الأكبر لمولدات الطاقة الشمسية الحرارية في توليد الحرارة والطاقة معًا. ففي المناخات الباردة، يمكنها العمل كمدفأة/موقد ومولد طاقة في آن واحد. وقد طورت شركة JX Crystals نموذجًا أوليًا لموقد/مولد طاقة شمسية حرارية يعمل بالغاز الطبيعي ويستخدم مصدر باعث من كربيد السيليكون يعمل عند درجة حرارة 1250  درجة مئوية، بالإضافة إلى خلية ضوئية من غاليوم أنتيمونيد لإنتاج 25000 وحدة حرارية بريطانية /ساعة (7.3 كيلوواط من الحرارة) مع توليد 100 واط في الوقت نفسه (بكفاءة 1.4%). إلا أن تكلفته تجعله غير عملي.

يُطلق على دمج السخان والمولد اسم نظام التوليد المشترك للحرارة والطاقة (CHP). وقد طُرحت العديد من سيناريوهات أنظمة التوليد المشترك للحرارة والطاقة الكهروضوئية الحرارية (TPV CHP)، إلا أن إحدى الدراسات وجدت أن استخدام المولد مع سائل تبريد مغلي هو الأكثر فعالية من حيث التكلفة. [ 36 ] سيستخدم نظام التوليد المشترك للحرارة والطاقة المقترح باعثًا للأشعة تحت الحمراء من كربيد السيليكون يعمل عند درجة حرارة 1425  درجة مئوية، وخلايا ضوئية من غاليوم أنتيمونيد تُبرّد بسائل تبريد مغلي. سيُنتج نظام التوليد المشترك للحرارة والطاقة الكهروضوئية الحرارية 85000 وحدة حرارية بريطانية/ساعة (25 كيلوواط من الحرارة) ويولد 1.5  كيلوواط. تبلغ الكفاءة المُقدّرة 12.3% (1.5 كيلوواط / 25 كيلوواط = 0.06 = 6%)، مما يتطلب استثمارًا قدره 0.08 يورو/كيلوواط ساعة بافتراض عمر افتراضي 20 عامًا. تبلغ التكلفة المُقدّرة لأنظمة التوليد المشترك للحرارة والطاقة الأخرى غير الكهروضوئية الحرارية 0.12 يورو/كيلوواط ساعة لأنظمة التوليد المشترك للحرارة والطاقة التي تعمل بمحركات الغاز، و0.16 يورو/كيلوواط ساعة لأنظمة التوليد المشترك للحرارة والطاقة التي تعمل بخلايا الوقود. لم يتم تسويق هذا الفرن تجاريًا لعدم الاعتقاد بأن السوق سيكون كبيرًا بما يكفي.

المركبات الترفيهية

تم اقتراح استخدام الخلايا الكهروضوئية الحرارية في المركبات الترفيهية. وقدرتها على استخدام مصادر وقود متعددة تجعلها خيارًا جذابًا مع ظهور أنواع وقود أكثر استدامة. كما أن تشغيلها الصامت يسمح لها باستبدال المولدات التقليدية الصاخبة (مثلًا خلال "ساعات الهدوء" في مخيمات الحدائق الوطنية). مع ذلك، فإن درجات حرارة الباعثات اللازمة لتحقيق كفاءة عملية تجعل استخدام الخلايا الكهروضوئية الحرارية على هذا النطاق غير مرجح. [ 37 ]

مراجع

  1. ↑ باور، توماس (2011). الخلايا الكهروضوئية الحرارية . الطاقة الخضراء والتكنولوجيا. doi : 10.1007/978-3-642-19965-3 . ISBN 978-3-642-19964-6.
  2. ↑ "كيف تعمل الخلية الشمسية" . الجمعية الكيميائية الأمريكية . 2014.
  3. 1 2 تشاو، أندرو (13 نوفمبر 2015). "الخلايا الشمسية المصنوعة من السيليكون" . جامعة ستانفورد .
  4. ↑ "أبحاث الخلايا الكهروضوئية متعددة الوصلات من النوع III-V" . وزارة الطاقة .
  5. 1 2 بورتمنز، جيف. "موقع IMEC الإلكتروني: مجموعات الخلايا الكهروضوئية" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 13-10-2007 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 17-02-2008 .
  6. ↑ تشو، جينيفر (13 أبريل 2022). "محرك حراري جديد بدون أجزاء متحركة بكفاءة التوربين البخاري" . أخبار معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.
  7. ↑ تشانغ، تشاو؛ لياو، تشنغهاي؛ تانغ، ليانغليانغ؛ ليو، تشومينغ؛ هو، رونغلينغ؛ وانغ، تشيبينغ؛ تشيو، كوانرونغ (13 مايو 2019). "دراسة تجريبية مقارنة لأداء الخلايا الكهروضوئية الحرارية تبعًا لدرجة الحرارة". رسائل الفيزياء التطبيقية . 114 (19). Bibcode : 2019ApPhL.114s3902Z . doi : 10.1063/1.5088791 .
  8. ↑ ستراندبرغ، رون (7 فبراير 2015). "الحدود النظرية لكفاءة تحويل الطاقة الحرارية الإشعاعية". مجلة الفيزياء التطبيقية . 117 (5). Bibcode : 2015JAP...117e5105S . doi : 10.1063/1.4907392 . hdl : 11250/279289 .
  9. ↑ فروست، روزي؛ هيبرون، حواء (8 أبريل 2022). ""الألواح الشمسية الليلية" التي تعمل في الظلام قد تكون بنفس كفاءة الألواح الشمسية العادية" . يورونيوز .
  10. ↑ لياو، تيانجون؛ وآخرون (2019). "الخلايا الكهروضوئية الحرارية الإشعاعية". معاملات IEEE للأجهزة الإلكترونية . 66 (3): 1386-1389 . Bibcode : 2019ITED...66.1386L . doi : 10.1109/TED.2019.2893281 . 
  11. ↑ أندرسون، ديفيد؛ وونغ، واين؛ تاتل، كارين (2005). "نظرة عامة على تقنية تحويل الطاقة بالنظائر المشعة التابعة لناسا ووضعها الحالي". المؤتمر الدولي الثالث لهندسة تحويل الطاقة . ريستون، فيرجينيا: المعهد الأمريكي للملاحة الجوية والفضائية. doi : 10.2514/6.2005-5713 . hdl : 2060/20050244468 . ISBN 978-1-62410-062-8.
  12. ↑ نيلسون، روبرت إي (مايو 2003). "نبذة تاريخية عن تطور الخلايا الكهروضوئية الحرارية" . مجلة علوم وتكنولوجيا أشباه الموصلات . 18 (5): S141– S143. Bibcode : 2003SeScT..18S.141N . doi : 10.1088/0268-1242/18/5/301 .
  13. ↑ سوانسون، آر إم (1980). "التطورات الحديثة في التحويل الكهروضوئي الحراري". الاجتماع الدولي لأجهزة الإلكترونيات لعام 1980. الصفحات 186-189 . doi : 10.1109/IEDM.1980.189789 . 
  14. 1 2 3 سيرفيس، روبرت ف. (13 أبريل 2022). ""يمكن لـ"البطاريات الحرارية" تخزين طاقة الرياح والطاقة الشمسية بكفاءة في شبكة الطاقة المتجددة" . مجلة ساينس . doi : 10.1126/science.abq5215 .
  15. ↑ كريست، ستيف؛ سيل، مايكل (1997). "فايكنغ 29 - مركبة هجينة تعمل بالطاقة الشمسية الحرارية، صُممت وبُنيت في جامعة غرب واشنطن". سلسلة أوراق SAE التقنية . المجلد 1. doi : 10.4271/972650 . 
  16. ↑ "سيارات سلسلة فايكنغ - التاريخ" . معهد أبحاث المركبات . 18 يناير 2019. تاريخ الاسترجاع: 2 مايو 2023 .
  17. 1 2 لابوتين، ألينا؛ شولت، كيفن ل.؛ شتاينر، مايلز أ.؛ بوزنيتسكي، كايل؛ كيلسال، كولين س.؛ فريدمان، دانيال ج.؛ تيرفو، إريك ج.؛ فرانس، رايان م.؛ يونغ، ميشيل ر.؛ روهسكوف، أندرو؛ فيرما، شوميك؛ وانغ، إيفلين ن.؛ هنري، أسغون (14 أبريل 2022). "كفاءة التحويل الكهروضوئي الحراري 40%" . مجلة نيتشر . 604 (7905): 287-291 . arXiv : 2108.09613 . Bibcode : 2022Natur.604..287L . doi : 10.1038/s41586-022-04473-y . PMC 9007744 . PMID 35418635 .  
  18. ↑ روي-لايندي، بوسون؛ ليم، جيهون؛ أرنيسون، كلير؛ فورست، ستيفن ر.؛ لينرت، أندريه (يوليو 2024). "خلايا كهروضوئية حرارية عالية الكفاءة ذات جسر هوائي" . مجلة جول . 8 (7): 2135-2145 . رمز Bibcode : 2024Joule...8.2135R . doi : 10.1016/j.joule.2024.05.002 .
  19. 1 2 ديلاسي، باتريشيا (23 مايو 2024). "شبكة الطاقة المتجددة: استعادة الكهرباء من تخزين الحرارة تصل إلى كفاءة 44%" . أخبار جامعة ميشيغان .
  20. ↑ نارايان، تارون سي؛ نظاميان، داستن بي؛ لوتشيانو، سيسيليا؛ جونسون، بنجامين إيه؛ ليمبينسل، موريتز؛ يونغ، ألكسندرا آر؛ بريغز، جاستن إيه؛ كوريتزكي، ليا واي؛ بونيك، أندرو جيه؛ بيرل، إيميت إي؛ كايز، بريندان إم؛ تيرفو، إريك جيه؛ أرولاناندام، مادان كيه؛ فرانس، رايان إم؛ كينغ، ريتشارد آر؛ شتاينر، مايلز إيه؛ بيرمان، ديفيد إم. (2021). "منصة للقياس الدقيق لكفاءة الخلايا الكهروضوئية الحرارية ذات الكفاءة التي تزيد عن 35%". المؤتمر الثامن والأربعون لمتخصصي الخلايا الكهروضوئية (PVSC) لعام 2021، معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE) . ص 1352 – 1354. دوى : 10.1109 / PVSC43889.2021.9518588 . رقم ISBN  978-1-6654-1922-2.
  21. ↑ "مولد طاقة كهروضوئي حراري محمول" . مختبر أرغون الوطني، ابتكارات التفاعل المتسلسل . مختبر أرغون الوطني . تم الاطلاع عليه بتاريخ 3 يوليو 2021 .
  22. ↑ هورن، إي (2002). أنظمة الطاقة الكهروضوئية الحرارية الهجينة (تقرير). شركة إيدتك لصالح لجنة الطاقة في كاليفورنيا.
  23. ↑ بيتنار، بيرند (مايو 2003). "خلايا ضوئية من السيليكون والجرمانيوم والسيليكون/الجرمانيوم لتطبيقات الطاقة الكهروضوئية الحرارية". مجلة علوم وتكنولوجيا أشباه الموصلات . 18 (5): S221– S227. Bibcode : 2003SeScT..18S.221B . doi : 10.1088/0268-1242/18/5/312 .
  24. ↑ أوه، مينسو؛ ماك إيليرني، جون؛ ليمير، أماندا؛ فاندرفيلد، توماس إي. (7 نوفمبر 2022). "مواد مرشحة لتطبيقات مقاومة للحرارة في باعثات ضوئية حرارية انتقائية". مجلة Physical Review Materials . 6 (11) 110201. Bibcode : 2022PhRvM...6k0201O . doi : 10.1103/PhysRevMaterials.6.110201 .
  25. ↑ ماليشيف، في. (1979). Ведение в экспероментальную спектроскопию [ مقدمة في التحليل الطيفي التجريبي ] (بالروسية). موسكو: نوكا. او سي ال سي 6627050 . 
  26. ↑ لين، إس واي؛ مورينو، جيه؛ فليمنج، جي جي (14 يوليو 2003). "باعث بلوري ضوئي ثلاثي الأبعاد لتوليد الطاقة الكهروضوئية الحرارية". رسائل الفيزياء التطبيقية . 83 (2): 380-382 . Bibcode : 2003ApPhL..83..380L . doi : 10.1063/1.1592614 .
  27. 1 2 فراس، إل إم؛ أفيري، جي إي؛ سوندارام، في إس؛ دينه، في تي؛ دافنبورت، تي إم؛ يركيس، جي دبليو؛ جي، جي إم؛ إيمري، كيه إيه (1990). "تجميعات خلايا تركيز مكدسة من GaAs/GaSb بكفاءة تزيد عن 35% للتطبيقات الأرضية". مؤتمر IEEE لمتخصصي الخلايا الكهروضوئية . الصفحات 190-195 . doi : 10.1109/PVSC.1990.111616 . 
  28. ↑ ألغورا، كارلوس (2003). "نمذجة وتصنيع محولات GaSb TPV". وقائع مؤتمر AIP . المجلد 653. الصفحات 452-461 . doi : 10.1063/1.1539400 .  
  29. 1 2 شاراش، غيغاواط؛ إيجلي، JL. ديبوي، مارك ألماني؛ دانيلسون، LR. فريمان، إم جي؛ دزيندزيل، RJ. موينيهان، ج.ف. بالداسارو، PF؛ كامبل، كولومبيا البريطانية؛ وانغ، كاليفورنيا؛ تشوي، هونج كونج؛ تيرنر، غيغاواط. فويتشوك، إس جيه؛ كولتر، ب. الأدوات الحادة، P.؛ تيمونز، م. فاهي، إعادة؛ تشانغ، ك. (سبتمبر 1998). “مواد الأشعة تحت الحمراء لتطبيقات الطاقة الضوئية الحرارية”. مجلة المواد الالكترونية . 27 (9): 1038-1042 . بيب كود : 1998JEMat..27.1038C . دوى : 10.1007/s11664-998-0160-x . أوستي 655354 . 
  30. 1 2 3 وانغ، سي إيه (2004). "مواد وأجهزة كهروضوئية حرارية من النوع III-V قائمة على الأنتيمون". وقائع مؤتمر AIP . المجلد 738. الصفحات 255-266 . doi : 10.1063/1.1841902 .  
  31. ↑ كارلينا، إل بي؛ كولاغينا، إم إم؛ تيموشينا، إن. خ.؛ فلاسوف، إيه إس؛ أندرييف، في إم (2007). " خلايا كهروضوئية حرارية تقليدية ومعكوسة من In 0.53 Ga 0.47 As/InP مع عاكس سطح خلفي". وقائع مؤتمر AIP . المجلد 890. الصفحات 182-189 . doi : 10.1063/1.2711735 .  
  32. ↑ خضر، ماجد؛ تشاكرابورتي، مانيشا؛ ماكان، باتريك ج. (مارس 2019). "مواد الآبار الكمومية PbSnSe/PbSrSe للأجهزة الكهروضوئية الحرارية" . AIP Advances . 9 (3): 035303. Bibcode : 2019AIPA....9c5303K . doi : 10.1063/1.5080444 .
  33. ↑ غوازوني، غيدو (2004). "استعراض لأربعة عقود من الاهتمام العسكري بالخلايا الكهروضوئية الحرارية". وقائع مؤتمر AIP . المجلد 738. الصفحات 3-12 . doi : 10.1063/1.1841874 .  
  34. 1 2 تيوفيلو، في إل؛ تشونغ، بي؛ تشانغ، جيه؛ تسينغ، واي إل وإرمر، إس. (2008). "تحويل الطاقة الكهروضوئية الحرارية للفضاء". مجلة الكيمياء الفيزيائية ج . 112 (21): 7841-7845 . doi : 10.1021/jp711315c .
  35. 1 2 ويلت، ديفيد؛ تشاب، دونالد؛ وولفورد، ديفيد؛ ماغاري، باتريك؛ كراولي، كريس (2007). "الخلايا الكهروضوئية الحرارية لتطبيقات الطاقة الفضائية". وقائع مؤتمر AIP . المجلد 890. الصفحات 335-345 . doi : 10.1063/1.2711751 .  
  36. ↑ بالفينجر، غونتر؛ بيتنار، بيرند؛ دوريش، فيلهلم؛ مايور، جان كلود؛ غرتزماشر، ديتليف؛ غوبريشت، ينس (مايو 2003). "تقدير تكلفة الكهرباء المنتجة بواسطة الخلايا الكهروضوئية الحرارية". علوم وتكنولوجيا أشباه الموصلات . 18 (5): S254– S261. Bibcode : 2003SeScT..18S.254P . doi : 10.1088/0268-1242/18/5/317 .
  37. ↑ كوتس، تيموثي ج. (1997). "مبادئ الطاقة الكهروضوئية الحرارية، وإمكانياتها، ومشاكلها". وقائع مؤتمر معهد الفيزياء الأمريكي . الصفحات 217-234 . doi : 10.1063/1.53449 .