211service.com
Nanokryształy krzemu do superwydajnych ogniw słonecznych
Typowe ogniwo słoneczne generuje tylko jeden elektron na foton wpadającego światła słonecznego. Uważa się, że niektóre egzotyczne materiały wytwarzają wiele elektronów na foton, ale po raz pierwszy ten sam efekt zaobserwowano w krzemie. Naukowcy z Krajowe Laboratorium Energii Odnawialnej (NREL), w Golden, CO, pokazał, że nanokryształy krzemu mogą wytwarzać dwa lub trzy elektrony na foton wysokoenergetycznego światła słonecznego. Ich zdaniem efekt może doprowadzić do powstania nowego typu ogniwa słonecznego, które jest zarówno tanie, jak i ponad dwa razy wydajniejsze od typowej dzisiejszej fotowoltaiki.
Zmiksowany krzem: Mikrografia siedmionometrowego kawałka krystalicznego krzemu, zwanego nanokryształem lub kropką kwantową. Takie struktury mogą radykalnie zwiększyć wydajność ogniw słonecznych.
Podobnie jak we wcześniejszych pracach z innymi materiałami, dodatkowe elektrony pochodzą z fotonów światła niebieskiego i ultrafioletowego, które mają znacznie więcej energii niż te z pozostałego widma słonecznego, zwłaszcza światła czerwonego i podczerwonego. W większości ogniw słonecznych dodatkowa energia w świetle niebieskim i ultrafioletowym jest marnowana w postaci ciepła. Jednak niewielki rozmiar kryształów w nanoskali, zwanych również kropkami kwantowymi, prowadzi do nowych efektów kwantowo-mechanicznych, które zamiast tego przekształcają tę energię w elektrony.
Generując wiele elektronów z fotonów o wysokiej energii, ogniwa słoneczne wykonane z nanokryształów krzemu mogą teoretycznie przekształcić ponad 40 procent energii światła w energię elektryczną, mówi Artura Nozika, starszy pracownik naukowy w NREL. W przeciwieństwie do tego, dzisiejsze płaskie panele słoneczne na dachach mają w najlepszym razie nieco ponad 20 procent wydajności i teoretycznie są ograniczone do około 30 procent wydajności. Skupienie światła słonecznego za pomocą luster lub soczewek może podnieść tę liczbę do około 40 procent, ale to samo podejście może zwiększyć wydajność krzemowo-nanokrystalicznego ogniwa słonecznego do znacznie ponad 60 procent, mówi Nozik.
Co więcej, ogniwa słoneczne wykonane z nanokryształów krzemu mogą okazać się tanie, dając im znaczną przewagę nad innymi podejściami do wysokowydajnych ogniw słonecznych. Na przykład zaawansowane ogniwa wielozłączowe wykazały wydajność ponad 40 procent. Wymagają one jednak skomplikowanych procesów produkcyjnych, które łączą drogie półprzewodniki zoptymalizowane pod kątem różnych części widma słonecznego. Natomiast nanokryształy krzemu są stosunkowo łatwe do wykonania, nawet w porównaniu z materiałem w konwencjonalnych ogniwach słonecznych, z których najlepsze są wykonane z bardzo dużych, pojedynczych kryształów krzemu.
Nanokryształy krzemu mają również wyraźną przewagę nad innymi materiałami nanokryształowymi, które wykazały efekt wieloelektronowy. Niektóre z tych materiałów zawierają pierwiastki toksyczne, takie jak ołów lub kadm, a inne opierają się na pierwiastkach takich jak ind, których podaż jest ograniczona. Ale krzem jest zarówno bezpieczny, jak i obfity. Jest również dobrze zbadany, mówi Christiana Honsberg , profesor inżynierii elektrycznej i komputerowej na Uniwersytecie Delaware, dzięki czemu inżynierowie wiedzą, jak z nim pracować, aby wytwarzać ogniwa słoneczne. Rzeczywiście, z wielu tych samych powodów krzem jest obecnie zdecydowanie najpopularniejszym materiałem w ogniwach słonecznych i jest atrakcyjną podstawą do szerszego zastosowania fotowoltaiki w przyszłości.
Przed rozpoczęciem prac NREL naukowcy wierzyli, że kryształy krzemu wystarczająco małe, aby wytworzyć efekt wieloelektronowy, byłyby niepraktyczne jako materiał fotowoltaiczny. W nanoskali właściwości optyczne krzemu zmieniają się tak, że przekształca on mniej światła z czerwonego końca widma w elektrony. W rezultacie wszelkie korzyści z bardziej wydajnej konwersji światła niebieskiego i ultrafioletowego zostaną zniwelowane. Nozik i jego koledzy odkryli, że nanokryształy nie muszą być tak małe, jak wcześniej sądzono, omijając ten problem.
Oczywiście praca NREL to tylko pierwszy krok. Wytwarzanie ogniw słonecznych wykorzystujących generację multielektronów jest wyzwaniem. Dzieje się tak, ponieważ dodatkowe elektrony są bardzo krótkotrwałe, co utrudnia ich wyodrębnienie z nanokryształów w celu wygenerowania prądu elektrycznego. Rzeczywiście, okazało się to tak trudne, że dowody na efekt pochodziły raczej z metod pośrednich, takich jak spektroskopia, niż z prądu generowanego przez ogniwo słoneczne. Użycie środków pośrednich skłoniło niektórych wybitnych ekspertów do zakwestionowania, czy dodatkowe elektrony są rzeczywiście produkowane, chociaż Nozik twierdzi, że efekt został potwierdzony wieloma technikami. Nozik i jego koledzy pracują teraz nad wytworzeniem ogniw słonecznych z nanokryształów krzemu – badają szereg nowatorskich projektów – i mówi, że ostatnio wykonali bezpośrednie pomiary wskazujące, że ich ogniwa uwalniają wiele elektronów na pochłonięty foton. (Ich wyniki nie zostały jeszcze opublikowane.)
Honsberg jest ostrożnym optymistą, nazywając odkrycie efektu wieloelektronowego w nanokryształach krzemu przełomem, ale tylko jeden przełom z trzech lub czterech potrzebnych do wyprodukowania tanich, superwydajnych ogniw słonecznych.