محققان موفق شدند انرژی گرمایی را با بازده ۴۰ درصد‌ی به الکتریسیته تبدیل کنند
فتوولتائیک (PV) فرایند تبدیل نور به الکتریسیته با استفاده از مواد نیمه‌هادی است که به صورت تجاری برای تولید الکتریسیته به کار می‌روند. سیستم فتوولتائیک برای تولید نیروی الکتریکی از ماژول‌های خورشیدی شامل تعدادی سلول خورشیدی استفاده می‌کند و می‌توان آن را به صورت ثابت روی زمین، پشت‌بام یا دیوار قرار داد یا به شکل ردیابی خورشیدی برای تعقیب خورشید در آسمان استفاده کرد.
ترموفتوولتائیک (TPV) نوعی فرایند تبدیل مستقیم گرما به برق ازطریق فوتون است که به صورت تجاری برای تولید الکتریسیته به کار می‌رود .به گزارش Engadget، محققان سلول ترموفتوولتائیک (TPV) جدیدی را معرفی کردند که عملکردی مشابه نیروگاه‌های سنتی توربین بخار دارد و گرما را با بازدهی بیش از ۴۰ درصد به الکتریسیته تبدیل می‌کند. این سلول‌ها پتانسیل استفاده در «باتری‌های حرارتی» در مقیاس شبکه را دارند و می‌توانند بی‌هیچ قطعه‌ی متحرکی انرژی الکتریکی تولید کنند.
سلول‌های ترموفوولتائیک با گرم کردن مواد نیمه‌رسانا انرژی فوتون‌ها را به میزان قابل‌توجهی افزایش میدهند. هنگامی که انرژی این فوتون‌ها به اندازه‌ی کافی زیاد شود، امکان پرتاب الکترون از شکاف انرژی (باند گپ) و تولید الکتریسیته فراهم می‌شود.
باند گپ، نوار ممنوعه یا شکاف انرژی (Band gap) در فیزیک حالت جامد به منطقه‌ای از طیف انرژی در جامدات گفته می‌شود که در آن هیچ حالت الکترونیکی وجود ندارد؛ به عبارت دیگر به تفاضل انرژی بین نوار رسانش و نوار ظرفیت باند گپ گفته می‌شود.
الکترون‌های نوار ظرفیت می‌توانند با دریافت انرژی و غلبه بر جاذبه‌ی هسته‌ی اتمی به نوار رسانش منتقل شوند؛ به تفاوت سطح انرژی بین این دو نوار شکاف انرژی یا باند گپ گفته می‌شود (این نوار یا شکاف در رساناها وجود ندارد).
سلول‌های ترموفتوولتائیک (TPV) تا قبل در دماهای پایین‌تری عمل کرده و گرما را تنها با ۳۲ درصد بازدهی به الکتریسیته تبدیل می‌کردند، اما محققان امآیتی و آزمایشگاه ملی انرژی‌های تجدیدپذیر (NREL) به‌تازگی طرح جدیدی ارائه دادند که به واسطه‌ی آن سلول‌های ترموفتوولتائیک می‌توانند انرژی را از منابع گرمایی با دماهای بسیار بالا و بین ۱٬۹۰۰ تا ۲٬۴۰۰ درجه‌ی سانتیگراد دریافت کنند.
در این طراحی آلیاژهای فلزی با شکاف انرژی (باند گپ) بالا با فاصله‌ای کم روی آلیاژی با شکاف انرژی (باند گپ) پایین‌تر قرار داده می‌شود. باند گپ بالا فوتون‌های پر انرژی را از منبع گرما گرفته و به الکتریسیته تبدیل می‌کند، درحالی‌که فوتون‌های کم انرژی از لایه اول عبور کرده و ولتاژ را افزایش میدهند. هر فوتونی که با موفقیت از این فرایند خارج شود به منبع گرما برگردانده می‌شود تا از هدر رفتن انرژی جلوگیری شود.
این تیم با استفاده از حسگر شار حرارتی، بازده انرژی را اندازه‌گیری کردند و دریافتند که توان با دما تغییر می‌کند؛ طراحی جدید سلول‌های ترموفتوولتائیک و دریافت دمایی بین ۱٬۹۰۰ تا ۲٬۴۰۰ درجه‌ی سانتیگراد می‌تواند با راندمان حدود ۴۰ درصد، الکتریسیته تولید کند.
توربین‌های بخار برای ارا‌ئه‌ی راندمانی مشابه، به طراحی بسیار پیچیده‌تری نیاز دارند و به دماهای پایین‌تری نیز محدود هستند. آسگون هنری، پروفسور امآیتی (MIT) درباره‌ی مزایای طراحی جدید سلول‌های ترموفتوولتائیک گفت:
یکی از مزایای مبدل‌های انرژی حالت جامد این است که می‌توانند در دماهای بالاتر با هزینه‌های نگه‌داری کمتر کار کنند، این مبدل‌ها قطعات متحرک ندارند و در حالت ایستا می‌توانند الکتریسیته‌ی قابل‌اطمینان تولید کنند.
در باتری حرارتی در مقیاس شبکه، این سیستم انرژی اضافی را از منابع تجدیدپذیر مانند خورشید جذب می‌کند و آن را در بانک‌های عایق‌بندی‌شده ذخیره می‌کند. سلول‌های ترموفتوولتائیک در صورت نیاز این گرما را به الکتریسیته تبدیل کرده و آن را به شبکه‌ی برق ارسال می‌کنند. هانری خاطرنشان کرد که مساحت سلول آزمایشی طراحی تنها یک سانتی‌متر‌مربع است و برای استفاده از این طرح در سطح شبکه نیاز است تا مساحت این سلول‌ها به حدود ۱۰ هزار فوت مربع افزایش پیدا کند؛ البته این فناوری از قبل برای ایجاد سلول‌هایی در این مقیاس وجود دارد:
سلول‌های ترموفوولتائیک آخرین گام کلیدی برای نشان دادن دوام باتری‌های حرارتی هستند. این طراحی قدمی مهم در مسیر تکثیر انرژی‌های تجدیدپذیر و رسیدن به شبکه‌ای عاری از کربن است.