Почему свет важен для обычных панелей
Обычная солнечная панель работает по простому принципу: фотон попадает на кремниевую ячейку, выбивает электрон, и этот поток электронов становится электричеством. За один час за пределами атмосферы на Землю приходит 174 петаватт солнечной энергии — это больше, чем весь мир потребляет в 2002 году. Но только половина этого потока достигает поверхности без потерь, и ещё часть отбрасывается облаками или отражается атмосферой.
Важно понимать: фотон должен иметь энергию выше ширины запрещённой зоны полупроводника, чтобы выбить электрон. У кремния эта граница около 1.1 электрон-вольт — она попадает в видимый спектр. Инфракрасные фотоны с меньшей энергией проходят сквозь ячейку и не создают тока. В том же диапазоне AM1.5 (стандарт для наземных измерений) около половины энергии приходится на инфракрасное излучение, которое просто уходит впустую.
Ночью нет фотонов — значит нет электричества. Панель остывает до температуры окружающей среды и перестаёт работать. Это ограничение не уникально — оно фундаментально для всех обычных фотоэлементов.
Термофотовольтаика: как тепло становится светом
Теперь представьте другой сценарий. Есть горячий объект, например печь или блок из карбида кремния, нагретый до 1400 градусов Цельсия. Он испускает тепловое излучение — фотоны во всём спектре от инфракрасного до видимого. Если поставить рядом фотовольтаическую ячейку, настроенную точно на этот спектр, она начнёт генерировать электричество. Это и есть термофотовольтаика (TPV).
Система состоит из трёх частей: источник тепла, эмиттер (поверхность, испускающая фотоны) и фотовольтаическая ячейка с системой охлаждения. Эмиттер — это часто металлический блок или специально обработанная керамика, которая нагревается до высокой температуры и светится в инфракрасном диапазоне. Ячейка стоит напротив и улавливает излучение.
Важный нюанс: TPV работает не напрямую от Солнца, а от любого источника тепла. Это значит, что ночью можно сохранить энергию днём в виде горячего блока, а ночью использовать её для генерации тока. Или же подключить к системе промышленные отходы тепла — например, паровые турбины на электростанциях или выхлопные газы двигателей.
В 2024 году исследователи достигли 44% эффективности преобразования, используя карбид кремния в качестве материала для блока-эмиттера. При температуре 1435 градусов Цельсия устройство излучало фотоны разных энергий, а полупроводник ловил от 20 до 30% из них. Два дополнительных слоя — воздух и золотое зеркало — отражали не поглотившиеся фотоны обратно в источник, повышая общий выход.
История разработок: от MIT до космоса
Первые опыты с термофотовольтаикой начались ещё в середине прошлого века. Генри Колм построил элементарную систему в Массачусетском технологическом институте (MIT) в 1956 году. Но настоящий прорыв связан с лекциями Пьера Эйграйна между 1960 и 1961 годами — его идеи привели к последующим исследованиям и развитию технологии.
В 1980-х годах эффективность TPV достигла почти 30%. В 1997 году был собран прототип гибридного автомобиля «Viking 29», который использовал термофотовольтаические элементы для питания. Это был экспериментальный проект, но он показал, что технология может работать в реальных условиях.
В 2022 году группа из MIT и Национальной лаборатории возобновляемой энергии (NREL) объявила о приборе с эффективностью 41%. Эмиттер использовал несколько слоёв полупроводников на основе III–V групп, которые были настроены для поглощения ультрафиолета, видимого света и инфракрасного излучения. Золотое зеркало возвращало обратно фотоны, которые не поглотились сразу. Устройство работало при температуре 2400 градусов Цельсия — на этом уровне вольфрам-эмиттер даёт максимальную яркость.
Космические миссии — одно из самых ранних применений TPV. Традиционные радиоизотопные термогенераторы (RTG), которые используют радиоактивный материал для нагрева блока и затем преобразования тепла в электричество через термопары, имеют низкую эффективность. Замена термопар на TPV может дать значительный прирост. Экспериментальные системы от Emcore, Creare, Оак-Ридж и NASA Гленн-Research Центр показали 15–20% эффективности. Университет Хьюстона добрался до 30% — это в 3–4 раза лучше существующих систем.
Препятствия: почему технологию не используют повсеместно
Существует несколько проблем, которые тормозят широкое внедрение TPV. Во-первых, эффективность обычных солнечных панелей на кремнии сейчас достигает 25% и выше, а многопереходные ячейки — до 40%. Для сравнения: в 2021 году максимальная лабораторная эффективность для TPV была 35%, но это не учитывает потери при получении тепла. В реальных системах, где нужно нагревать блок от сжигания топлива или электричества, общая эффективность может быть всего 5% — такой показатель считается мировым рекордом.
Во-вторых, TPV требует многопереходных ячеек на основе материалов вроде галлия-антимонида (GaSb) или германия. Эти материалы очень дороги и сложны в производстве по сравнению с обычным кремнием, который можно вырастить методом вытяжки кристалла Чохральского.
В-третьих, ячейка должна оставаться холодной, чтобы эффективно работать. Это значит, что нужна система охлаждения — часто пассивный радиатор. Если ячейка перегреется, её эффективность упадёт. В TPV это особенно важно, потому что сам источник тепла и эмиттер находятся рядом.
Есть ещё один аспект: низкопотенциальные источники тепла (до 1300 градусов) имеют более широкий спектр излучения по закону смещения Вейна. Чтобы эффективно собрать энергию, нужно многослойные ячейки с разными запрещёнными зонами — это увеличивает стоимость и усложняет конструкцию.
Где TPV может понадобиться сейчас
Однако технология найдёт применение в определённых нишах. Промышленные объекты с большими потоками отходящего тепла — металлургия, цементные заводы, автомобильные производства — могут использовать его для генерации дополнительного электричества. Это не замена основной системе, а способ утилизировать энергию, которая иначе уходила бы в атмосферу.
Ещё один вариант: автономные системы на удалённых объектах, где нет доступа к сети. TPV может работать от горячего блока, который заряжается днём и отдаёт энергию ночью, или от геотермального источника. В космосе это тоже перспективно — радиация там меньше, а тепло сохраняется дольше в вакууме.
Существуют также концепции хранения энергии через тепло. Электричество, выработанное в часы пик (например, солнечным днём), используется для нагрева большого блока из угля или материала с фазовым переходом. В ночное время TPV-ячейки начинают работать, пока блок охлаждается. Пока нет данных о коммерческих реализациях этого подхода, но исследования продолжаются.
Сегодня, в октябре 2026 года, технология ещё не стала массовым продуктом, но прогресс идёт. В мае 2024 года группа исследователей объявила о достижении 44% эффективности с использованием карбида кремния — это значительный шаг вперёд. Если удастся снизить стоимость материалов и упростить конструкцию, TPV может стать конкурентоспособным решением для определённых задач.
Что будет дальше
Технология не заменит солнечные панели на крышах домов — для этого слишком дорого и сложно. Но она дополнит их в тех случаях, когда нужно утилизировать отходящее тепло или работать без прямого солнечного света. Вопрос «а что бы сделал ты на её месте» — не риторический. Ровно то же самое сейчас происходит с десятком компаний, чьими продуктами мы пользуемся ежедневно: они либо адаптируются к новым возможностям, либо остаются в старых схемах.
Солнечная энергия — это не только свет. Это и тепло от Земли, от промышленных процессов, от горячих поверхностей вокруг нас. Обычные панели ловят лишь часть этого потока, но термофотовольтаика предлагает другой путь — превращать тепло напрямую в электричество. Вопрос в том, стоит ли вкладывать ресурсы в эту нишевую технологию или лучше сосредоточиться на удешевлении кремния и улучшении аккумуляторов. Ответа пока нет, но исследования продолжаются.