Většinu elektřiny na světě dnes vyrábějí turbíny, jejichž průměrná účinnost se pohybuje někde mezi 35 až 40 %. Efektivita těchto zařízení sice především díky novým materiálům roste, ale jen velmi pomalu, krůček po krůčku. Někteří odborníci se ovšem domnívají, že se rýsuje jiný postup. Tzv. termofotovoltaické články vyrábějící elektřinu z infračerveného (tedy tepelného) záření by mohly zefektivnit výrobu elektřiny z tepla. Na rozdíl od turbín jde o zařízení, které nemá žádné pohyblivé části, a alespoň hypoteticky by mělo být jednodušší, levnější a snad také účinnější než řada dnešních energetických systémů. Srdcem termofotovoltaických generátorů bývá válec z wolframu s množstvím vyleptaných nepatrných otvorů. V něm se při vysoké teplotě spaluje palivo (např. metan). Válec — nazývaný emitor — se tímto způsobem zahřívá na teplotu až kolem 1 300 °C, a září proto v infračerveném spektru. To dopadá na fotovoltaický článek schopný měnit energii dopadajícího elektromagnetického záření přímo na elektrický proud.
Od jednotek k desítkám
Díky těmto a dalším „trikům“ se dařilo účinnost termofotovoltaiky poměrně dobře zvyšovat. Zatímco v 60. letech 20. století první články tohoto typu přeměňovaly tepelné záření na elektřinu s účinností pouze jednotek procent, v roce 1980 se jejich účinnost zvýšila na přibližně 30 %. Od té doby se však už v podstatě nezměnila. Důvodů je více. Kromě nízkého zájmu o téma mimo jiné i proto, že wolfram a další kovy obvykle vyzařují po zahřátí fotony v širokém spektru, od vysokoenergetického ultrafialového záření po nízkoenergetické vzdálené infračervené záření. Všechny fotovoltaické články, včetně těch používaných v termofotovoltaice — jsou však optimalizovány tak, aby absorbovaly fotony v úzké části spektra. To znamená, že světlo s vyššími a nižšími frekvencemi se z rozžhaveného kovu vyzařuje bez užitku. Problém do jisté míry řeší zrcadla. Infračervené záření před dopadem na článek prochází speciálním flitrem. Ten propouští jen vybrané vlnové délky, zatímco zbytek odráží zpět do emitoru (tedy onoho wolframového válce). Tím se zvyšuje teplota kovu a účinnost celého procesu roste. Ztrátám se ovšem nelze vyhnout ani tak. Autoři nové studie se rozhodli si s technologií „pohrát“ tak, aby řešení ještě vylepšili. Rozhodli se především zvýšit teplotu válce až na 2 400 °C. Původní teplota sice byla zvolena s ohledem na skutečnost, že při ní wolfram vyzařuje největší část infračerveného světla v pásmu příhodném pro fotovoltaiku. Ovšem při vyšších teplotách wolfram vyzařuje elektrony s vyššími energiemi, konkrétně s energiemi 1 až 1,4 eV. To by mohlo přinést vyšší účinnost celého systému. Tým autorů nového článku v čele s Asegunem Henrym z americké techniky MIT si ovšem také uvědomil, že musí změnit i samotný článek. Od 80. let naštěstí technologie fotovoltaických článků notně pokročila a dnes existují postupy, které tehdy k dispozici nebyly. V tomto případě experimentátoři na sebe pečlivě „nakladli“ několik desítek tenkých vrstev vybraných materiálů, aby jim vznikly de facto dva články nad sebou, tedy tzv. článek tandemový. Horní článek absorbuje převážně viditelné a ultrafialové fotony, zatímco spodní článek absorbuje převážně infračervené záření. Pod spodním článkem je navíc tenká zlatá vrstva, která funguje jako zrcadlo pro fotony s nižšími energiemi, jež články nezachytily. Tyto částice se tak vrací zpět do materiálu a pomáhají udržovat jeho teplo. Ve výsledku pak jejich experimentální laboratorní zařízení (k sériovému je daleko) dokáže přeměnit v elektřinu 41,1 % energie vyzařované wolframovým vláknem o teplotě 2 400 °C. Autoři si navíc myslí, že existuje poměrně jasná cesta, jak účinnost nadále navyšovat. V roce 2020 totiž ve vědeckém časopisu Nature tým odborníků z univerzity v Michiganu popsal výrazně dokonalejší zrcadlo na „neužitečné“ fotony, než jakým byl vybaven článek z MIT. Pokud se skutečně podaří dosáhnout 99% účinnosti odrazu, kterou zmíněná práce popisuje, mohlo by to znamenat i zásadní navýšení účinnosti celého termofotovoltaického systému. Henry pro časopis Science uvedl: „Myslíme si, že máme jasně narýsovanou cestu k dosažení 50% účinnosti.“ Kombinace takového reflektoru s novou termofotovoltaikou by mohla podle propočtu autorů vést při teplotě emitoru 2 250 °C k účinnosti větší než 56 %. Maximální účinnost ale nemusí být nutně nejlepším řešením. V experimentálním zařízení byly použity fotovoltaické články z drahých materiálů, jako je gallium. V energetice jde ovšem hlavně o cenu, která alespoň na papíře zatím vypadá fantasticky: „Náklady na systém výroby energie založený na turbíně se obvykle pohybují v řádu 1 USD/W. V případě termofotovoltaiky však existuje potenciál snížit je na řádově 0,10 USD/W,“ řekl Henry pro časopis IEEE Spectrum. Nad jeho matematikou lze hodně diskutovat, protože výsledek závisí na řadě externích faktorů, které s technologií samotnou nemají nic společného. Ovšem efektivní a jednoduchý systém přeměny tepla na elektřinu by si mohl najít své využití. /jj/
