211service.com
Klucz do lepszych ogniw słonecznych: wyboiste lustra
Wrażliwe na barwnik cienkowarstwowe ogniwa słoneczne są tańsze w produkcji niż konwencjonalne ogniwa krzemowe, ale nadal są stosunkowo nieefektywne.
Nanodomy: Szereg kopuł kwarcowych o szerokości 600 nanometrów i wysokości 200 nanometrów (góra) jest wciskany w cienką warstwę dwutlenku tytanu, aby wykonać w niej otwory (na dole). Wypełnianie otworów srebrem pomaga zatrzymać więcej światła wewnątrz barwnikowych ogniw słonecznych.
Teraz naukowcy z Uniwersytetu Stanforda zastosowali specjalnie zaprojektowany metalowy reflektor, aby zwiększyć wydajność fotowoltaicznych ogniw słonecznych z elektrolitem stałym nawet o 20%. Odbłyśnik to cienka srebrna warstwa z szeregiem wybrzuszeń w nanoskali. Naukowcy używają filmu do pokrycia tylnej powierzchni komórek; film pomaga zatrzymać więcej światła wewnątrz komórek. W zależności od barwnika uzyskujemy o około 5 do 20 procent większą absorpcję, mówi Michael McGehee , dyrektor Centrum Zaawansowanej Fotowoltaiki Molekularnej w Stanford. McGehee kierował badaniem, które w tym tygodniu zostało opublikowane online w czasopiśmie Zaawansowane materiały energetyczne .
Ostatnio zadebiutowały na rynku ogniwa cienkowarstwowe uczulone barwnikiem o sprawności konwersji światła na energię elektryczną wynoszącą około 11 procent. Używają jednak płynnych elektrolitów, które są lotne i mogą wyciekać. Ogniwa ze stałymi elektrolitami wykazały tylko około 5% wydajności.
Wzięli najlepsze ogniwo z barwnikiem półprzewodnikowym, jakie mogli, i ulepszyli je, mówi Dawid Ginger , profesor chemii na Uniwersytecie Waszyngtońskim, badacze ze Stanford. Co więcej, zrobili to przy użyciu technologii i metod, które potencjalnie mogłyby zostać wykorzystane w środowisku produkcyjnym.
Ogniwa słoneczne na bazie barwników składają się z półprzewodnikowych nanokryształów (zwykle dwutlenku tytanu lub tytanu), które są pokryte cząsteczkami barwnika i umieszczone – wraz z elektrolitem – pomiędzy arkuszami szkła lub tworzywa sztucznego. Barwnik pochłania światło i tworzy elektrony oraz dodatnio naładowane dziury. Kryształy przenoszą elektrony na jedną elektrodę, aby wytworzyć prąd elektryczny, podczas gdy elektrolit przenosi dziury na drugą elektrodę.
Elektrolity stałe nie są jednak tak wydajne jak elektrolity płynne, a elektrony i dziury łatwiej się rekombinują. Aby temu zapobiec, warstwa tlenku tytanu jest bardzo cienka — zwykle dwa mikrometry. Ale im cieńsze komórki, tym szybciej światło przechodzi przez nie bez pochłaniania. Wysiłki badawcze mające na celu poprawę wydajności tych komórek zwykle koncentrowały się na opracowaniu silniejszych barwników i nowych rodzajów nanokryształów. Ale McGehee i jego koledzy użyli reflektorów plazmonicznych, aby poprawić wydajność swojej komórki.
Plazmony to oscylacje elektronów na metalowej powierzchni wzbudzane światłem. Kontrolując kształt powierzchni, możesz kontrolować rodzaj tworzonych plazmonów, co z kolei wpływa na interakcję światła z materiałem.
Odbłyśnik wykonany w Stanford ma wypukłości, które tworzą plazmony, które obracają część wpadających promieni świetlnych o 90 stopni. Więc zamiast odbijać się od srebra i wychodzić z komórki, więcej światła rozprasza się tam iz powrotem wewnątrz komórki, dając barwnikowi dłuższy czas na jego wchłonięcie.
Naukowcy wykonali swoje urządzenia, powlekając szkło przezroczystą elektrodą przewodzącą, na której osadzili warstwę nanocząstek tytanu. Następnie wzięli kawałek kwarcu pokryty kopułami o szerokości 600 nanometrów i wcisnęli go w tlenek tytanu, skutecznie wybijając w nim maleńkie otwory. Na koniec dodali warstwy barwnika i srebra.
To pierwszy przypadek zastosowania struktur plazmonicznych do półprzewodnikowych ogniw słonecznych sensybilizowanych barwnikiem, przy czym odnotowano znaczny wzrost wydajności ogniw. Kylie Catchpole , pracownik naukowy na Australijskim Uniwersytecie Narodowym. Catchpole wykorzystuje plazmoniki pułapkujące światło w celu zwiększenia wydajności innych typów cienkowarstwowych ogniw słonecznych.
Mówi się, że trzeba jeszcze wykonać wiele pracy, zanim technologia trafi na rynek Martin Green , który pracuje nad fotowoltaiką pułapkującą światło na Uniwersytecie Nowej Południowej Walii. Green twierdzi, że ogniwa wrażliwe na barwnik wzbudziły ogromne zainteresowanie społeczności akademickiej, ale wywarły [mały] wpływ komercyjny ze względu na niską wydajność i wątpliwą trwałość w porównaniu z ogniwami komercyjnymi. Ogniwa z płynnym elektrolitem weszły na rynek, ale Green również sceptycznie podchodzi do ich perspektyw.
McGehee jest jednak przekonany, że osiągnięcie wystarczająco wysokiej wydajności będzie możliwe. Naukowcy przyglądają się teraz tworzeniu odbłyśników z wypukłościami o różnych rozmiarach, wysokościach, odstępach i wzorach. Poprawiając te czynniki, powinny one być w stanie zwiększyć ilość światła pochłanianego przez komórki. Mogli też badać różne barwniki. Jak mówi, zdecydowanie wydaje się, że istnieje wyraźna droga do zwiększenia wydajności o ponad 20 procent.