211service.com
Mikroskopijne ogniwa słoneczne mogą widzieć więcej światła słonecznego
Naukowcy z Sandia National Laboratories zmniejszyli krzemowe ogniwa słoneczne do mikroskali, otwierając nowe możliwości poprawy wydajności.
Skaling silikonowy: Te pomniejszone, sześciokątne krzemowe ogniwa słoneczne mają średnicę od 0,25 do jednego milimetra. Widoczne na niektórych liniach są metalowe styki elektryczne.
Krzem wielokrystaliczny, obecnie złoty standard wydajności ogniw słonecznych, jest drogi i wytwarza ogniwa, które są ciężkie i kruche. Mikroskopijne krzemowe ogniwa słoneczne Sandia zużywają 100 razy mniej materiału, pracując z taką samą wydajnością.
Oprócz niższych kosztów materiałów, mniejsza skala tych ogniw oznacza, że można je włączyć do kompaktowych systemów optycznych w celu tańszego śledzenia i koncentracji światła. Naukowcy mogą nawet zawiesić je w tuszach, które można nadrukować na plastiku, aby uzyskać wydajne, elastyczne moduły krzemowo-słoneczne.
W mikrosystemach szukasz rzeczy, które stają się tańsze, działają lepiej i zyskują nowe funkcjonalności, mówi Gregory Nielson, główny naukowiec projektu.
Jak dotąd naukowcy z Sandii zmontowali i przetestowali pojedyncze mikroogniwo słoneczne jako dowód zasady. Zaczęli jednak testować działające moduły słoneczne wykonane z wielu maleńkich ogniw i opracowują techniki ich efektywnego montażu.
Komórki Sandii mają średnicę od 0,25 do jednego milimetra. Główną korzyścią z produkcji tak małych ogniw byłyby niższe koszty materiałów, ponieważ małe ogniwa mogą być około 10 razy cieńsze niż konwencjonalne. Zwykle ogniwa słoneczne muszą mieć grubość 100 mikrometrów, aby utrzymać swoją powierzchnię – zwykle około 15 centymetrów kwadratowych.
Sandia wytwarza swoje ogniwa z krzemu, który został przetworzony konwencjonalnymi metodami chemicznymi. Naukowcy wycinają komórki z tego krzemu za pomocą techniki trawienia chemicznego, która powoduje znikome straty. Obrabiają powierzchnię wafla, aby uzyskać właściwości elektryczne niezbędne do funkcjonowania komórki, a następnie pokrywają ją metalowymi stykami. Naukowcy następnie wytrawiają górne 10 do 20 mikrometrów powierzchni płytki przy użyciu substancji chemicznych, które wżerają się tylko w określoną część struktury krystalicznej.
Powstałe ogniwa mają grubość około 20 mikrometrów, ale mają taką samą wydajność jak ogniwa konwencjonalne, przekształcając około 14,9% światła słonecznego w energię elektryczną. Łatwiej jest też zrobić ogniwa w kształcie sześciokąta, co pozwala maksymalnie wykorzystać dostępną powierzchnię bez marnowania dużej ilości krzemu. Oszczędności materiałów to wielka sprawa, mówi Nielson.
Krzem i słońce: Gregory Nielson, badacz z Sandii, posiada szereg mikroskalowych, multikrystalicznych krzemowych ogniw słonecznych.
Ogniwa słoneczne w mikroskali oferują nowe możliwości koncentracji i śledzenia światła, co może jeszcze bardziej zwiększyć wydajność ogniw. Konwencjonalne systemy śledzenia są duże i ciężkie i muszą być poruszane przez silniki. Szereg mikroogniw słonecznych można by zwieńczyć układem mikrosoczewkowym, który musi poruszać się tylko o ułamek milimetra, aby śledzić słońce.
Mikroskopijne komórki można również połączyć z bardziej wydajnymi soczewkami. Zamiast soczewek Fresnela, które są nieporęczne i wychwytują tylko około 80 procent padającego na nie światła, mikrokomórki mogłyby używać soczewek refrakcyjnych, które wychwytują 90 procent wpadającego światła. Używanie soczewek refrakcyjnych z konwencjonalnymi ogniwami słonecznymi nie jest praktyczne, ponieważ takie soczewki stałyby się zbyt drogie i nieporęczne przy wymaganym rozmiarze (im większa soczewka, tym dalej musi być zamontowana od powierzchni ogniwa). Ale w przypadku ogniw Sandia układ refrakcyjnych mikrosoczewek mógłby dopasować każde urządzenie krzemowe z jedną soczewką o średnicy zaledwie kilku mikrometrów. Takie macierze są już dostępne na rynku.
Nielson twierdzi, że deweloperzy mogliby w końcu zawiesić ogniwa w cieczy, aby uzyskać atrament, który można wydrukować na elastycznych podłożach pokrytych stykami elektrycznymi w celu stworzenia elastycznych modułów słonecznych.
W przypadku ogniw słonecznych elastyczność zwykle obniża wydajność. Na przykład firma Konarka produkuje elastyczne ogniwa słoneczne z materiałów organicznych, ale działają one tylko z około 4% wydajnością. Uważamy, że możemy użyć materiałów o wysokiej wydajności, aby zapewnić taką samą elastyczność przy pięciokrotnie mniejszej powierzchni, mówi Nielson.
Nielson spodziewa się projektu, który jest finansowany przez Departament Energii USA Program technologii słonecznych , aby uzyskać moduły do użytku wojskowego (na przykład w namiotach i plecakach do zbierania energii) w ciągu około trzech lat. Reszta rynku energii słonecznej ma surowe wymagania dotyczące żywotności, więc opracowanie wystarczająco trwałych modułów może zająć jeszcze kilka lat. Krajowe laboratorium prawdopodobnie udzieli licencji na technologię firmie, gdy stanie się ona bardziej dojrzała.