211service.com
Manipulowanie światłem w celu podwojenia mocy wyjściowej energii słonecznej
Większość paneli słonecznych przekształca mniej niż 20 procent energii słonecznej, która na nie pada, w energię elektryczną. Nowy projekt o wartości 2,4 miliona dolarów finansowany przez amerykańską Agencję ds. Zaawansowanych Projektów Badawczych ds. Energii ma na celu znaczne zwiększenie ilości światła słonecznego, które staje się energią elektryczną. Jego celem jest wydajność konwersji na poziomie ponad 50 procent, co podwoiłoby ilość energii generowanej przez panel słoneczny o danym rozmiarze. Zmniejszyłoby to o połowę liczbę potrzebnych paneli słonecznych i potencjalnie zwiększyłoby konkurencyjność energii słonecznej w stosunku do paliw kopalnych.
W ramach nowego wysiłku badawczego Harry Atwater, profesor fizyki stosowanej i materiałoznawstwa w Caltech, planuje użyć precyzyjnie ustrukturyzowanych materiałów do sortowania światła słonecznego na osiem do 10 różnych kolorów i skierowania go do ogniw słonecznych z półprzewodnikami, które są idealnie dopasowane do każdego koloru . W rezultacie większa część widma słonecznego zostanie pochłonięta, a energia zawarta w każdym wycinku widma zostanie zamieniona głównie na energię elektryczną, a nie ciepło.
Ogólny pomysł sortowania światła słonecznego według koloru nie jest nowy. Jedno podejście polega na uprawie wielu materiałów półprzewodnikowych w stosie — światło przemieszcza się przez stos, aż zostanie pochłonięte przez półprzewodnik, który może je efektywnie przetwarzać. Dzięki temu podejściu uzyskano komercyjne ogniwa słoneczne o wydajności ponad 43 procent. Ale proces wytwarzania takich ogniw słonecznych jest kosztowny, a moc wyjściowa urządzenia jest ograniczona przez najgorzej wydajną warstwę.
Inni próbowali sortować światło na różne kolory za pomocą konwencjonalnych soczewek, luster i filtrów, ale prototypy były nieporęczne i nie osiągnęły bardzo wysokiej wydajności, częściowo z powodu niedokładności optyki — okazało się, że trudno jest skierować dokładnie we właściwy sposób. długości fal światła do każdego ogniwa słonecznego. Trudno było też podzielić światło na więcej niż kilka różnych kolorów w jednym urządzeniu.
Jednak w ciągu ostatnich kilku lat naukowcy poprawili się w manipulowaniu światłem na bardzo małą skalę, sortowaniu go według koloru, łapaniu go w pułapkę i prowadzeniu z jednego punktu do drugiego za pomocą cienkich warstw materiału, które zawierają maleńkie elementy, które często są mniejsze niż długość fali światła. Atwater planuje wykorzystać te postępy, aby precyzyjnie manipulować światłem w kompaktowej, płaskiej obudowie, która może nie wyglądać tak bardzo od konwencjonalnego panelu słonecznego. Jedna warstwa dzieliłaby światło, sortowała je według koloru, a następnie dostarczała do drugiej warstwy, która zawiera szereg ogniw słonecznych dopasowanych do każdego koloru.
Wyzwaniem przy takim podejściu jest to, że nikt nie wytwarza tych precyzyjnie ustrukturyzowanych materiałów na dużych obszarach i w dużych ilościach potrzebnych w przemyśle fotowoltaicznym. Ale Atwater porównuje to urządzenie do telewizora z płaskim ekranem, który sam w sobie jest wyrafinowanym urządzeniem do manipulowania światłem, z milionami tranzystorów do włączania i wyłączania różnych kolorowych pikseli.
Pierwsze, które wyszły, kosztowały wiele tysięcy dolarów i miały wady. Teraz możesz kupić jeden za mniej niż sto dolarów, co jest zasadniczo idealne, a koszty cały czas spadają, mówi. Płaskie wyświetlacze są przykładem czegoś, co jest w skali panelu słonecznego, ale są niezwykle złożonymi obwodami optoelektronicznymi. To, co proponujemy, według tego standardu jest prymitywne.
Atwater mówi, że na rynku zaczynają pojawiać się narzędzia produkcyjne potrzebne do wytworzenia jego nanostrukturalnych materiałów. Pozostaną jednak drogie, o ile wielkość produkcji będzie niska. Naukowcy zbliżają się również do możliwości wytwarzania cienkich płytek z różnych półprzewodników i przenoszenia ich do urządzenia podobnego do tego, które sobie wyobraża.