211service.com
Elastyczne krzemowe ogniwa słoneczne
Konwencjonalne ogniwa słoneczne są nieporęczne i sztywne, ale budowanie lekkich, elastycznych ogniw wiąże się z kompromisami w zakresie wydajności i wytrzymałości. Nowa metoda wytwarzania elastycznych macierzy maleńkich krzemowych ogniw słonecznych może wyprodukować urządzenia, które nie cierpią z powodu tych kompromisów. Macierze tych mikroogniw są tak samo wydajne jak konwencjonalne panele słoneczne i mogą być tańsze w produkcji, ponieważ zużywają znacznie mniej krzemu. Maleńkie ogniwa słoneczne można by wykorzystać m.in. do przyciemniania szyb, a także wykorzystać je do zasilania klimatyzacji samochodowej i GPS.
Siła uginania krzemu: Tablice maleńkich krzemowych ogniw słonecznych, takich jak to na tym zdjęciu, są składane przy użyciu techniki druku transferowego. Macierze te są tak samo wydajne jak konwencjonalne ogniwa słoneczne, które są nieporęczne i sztywne. Każda mikrokomórka w tablicy ma około 1,5 milimetra długości i 15 mikrometrów grubości.
Badacze kierowani przez John Rogers , profesor inżynierii materiałowej i inżynierii materiałowej na Uniwersytecie Illinois w Urbana-Champaign, zastosował połączenie wytrawiania i druku transferowego do stworzenia macierzy ogniw krzemowych o grubości jednej dziesiątej grubości ogniw konwencjonalnych. Zademonstrowali wiele możliwych projektów paneli słonecznych zawierających mikrokomórki, w tym gęste matryce wystarczająco elastyczne, aby zginać się wokół ołówka. Można je zwinąć jak dywan, przewieźć furgonetką i rozłożyć na dachu, mówi Rogers.
Proces ten opiera się na technikach wytwarzania elastycznej elektroniki, które Rogers rozwijał w ciągu ostatnich kilku lat. Po pierwsze, naukowcy z Illinois wytrawiają pręty o długości około 1,5 milimetra, szerokości 50 mikrometrów i grubości 15 mikrometrów z płytki z monokrystalicznego krzemu. Używają stempla wykonanego z miękkiego polimeru, aby podnieść mikrobary i umieścić je na podłożu, które może być szkłem lub elastycznym tworzywem sztucznym, a następnie wytwarzają połączenia. Rogers odkrył, że komórki o grubości od 15 do 20 mikrometrów osiągają dobrą równowagę: wystarczająco cienka, aby była elastyczna, ale wystarczająco gruba, aby była mechanicznie stabilna i wydajna. Konwencjonalne ogniwa słoneczne wykorzystują warstwę krzemu o grubości od 150 do 200 mikrometrów.
Macierze ogniw mają sprawność około 12 procent. Naukowcy z Illinois zwiększyli moc wyjściową macierzy o około dwa i pół raza, dodając koncentratory w postaci warstwy cylindrycznych mikrosoczewek. Najlepsze ogniwa słoneczne na rynku przekształcają w energię ponad 20 procent padającego na nie światła słonecznego.
Mówi się, że to dobry początek w bardziej efektywnym wykorzystaniu płytek krzemowych Howard Branz , główny naukowiec w grupie materiałów i urządzeń krzemowych w Narodowym Laboratorium Energii Odnawialnej w Golden, Kolorado. Branz, Rogers i jego zespół po raz pierwszy wykazali, że dzięki swojemu podejściu do druku transferowego, jak można wytwarzać tak cienkie ogniwa duże obszary.
Elastyczne ogniwa słoneczne wykonane z innej formy krzemu, zwanej krzemem amorficznym, znalazły miejsce w zastosowaniach niszowych, w których niska waga ma kluczowe znaczenie. Ogniwa te nie znalazły jednak szerszego zastosowania, ponieważ są znacznie mniej wydajne niż krystaliczny krzem stosowany w konwencjonalnych ogniwach słonecznych. Istnieje wiele grup pracujących nad nowymi materiałami, w tym polimerami do elastycznych ogniw słonecznych. Ale te materiały nie dorównują jeszcze wydajnością i trwałością krzemu, mówi Ray Chen , profesor w centrum badań mikroelektroniki na Uniwersytecie Teksańskim w Austin. Nie mogę powiedzieć, że krzem będzie ten materiał na dłuższą metę, mówi Chen. Ale na podstawie danych, które mamy w tej chwili, [monokrystaliczny] krzem jest bardzo wytrzymałym materiałem i ma tę zaletę, że jest niezawodny i wydajny.
Główną zaletą tworzenia macierzy ogniw słonecznych przy użyciu jego procesu drukowania transferowego, mówi Rogers, jest możliwość kontrolowania odległości między mikroogniwami. Rzadkie macierze komórek są półprzezroczyste i można je wykorzystać jako przyciemniane, wytwarzające energię powłoki okienne. Rogers ma również nadzieję, że cienkie ogniwa słoneczne zastąpią konwencjonalne ogniwa słoneczne na dachach oraz w innych miejscach, w których ogniwa słoneczne już zostały znalezione. Jeśli technologia Illinois okaże się tańsza i łatwiejsza w transporcie i instalacji niż konwencjonalne ogniwa, może usunąć niektóre bariery dla szerszego wykorzystania energii słonecznej.
Nadal jednak pozostają pytania dotyczące wydajności ogniw słonecznych Rogersa. Aby zmienić zasady gry, ogniwa te będą musiały mieć wydajność zbliżoną do 15 procent, mówi Branz. Istnieją metody zwiększania wydajności monokrystalicznych krzemowych ogniw słonecznych do ponad 20 procent, mówi Rogers, i metody te można zastosować również do mikroogniw, chociaż naukowcy z University of Illinois nie skupili się jeszcze na optymalizacji wydajności materiału.