Ogniwa słoneczne origami

Jednym ze sposobów na wyciśnięcie większej ilości energii ze światła słonecznego jest upewnienie się, że zawsze pada ono na panel słoneczny pod idealnym kątem. Oznacza to albo śledzenie słońca i manewrowanie panelem, aby zmierzyć się z nim, albo użycie złożonej optyki, aby przekierować promienie słoneczne, aby uderzyły w powierzchnię panelu z góry.

Składany silikon: Na tych obrazach trzy cienkie warstwy krzemu zwijają się w trójwymiarowe kształty pod wpływem siły napięcia powierzchniowego, gdy krople wody umieszczone w ich środkach odparowują. Górny rząd przedstawia pierwszy krok, kiedy krople wody są duże, a obrazy poniżej pokazują postęp w czasie, gdy krople wody się kurczą.

Naukowcy z University of Illinois opracowali teraz samoorganizujące się sferyczne ogniwa słoneczne zdolne do przechwytywania większej ilości światła słonecznego niż płaskie. Kształt jest prostszym sposobem na lepsze wykorzystanie promieni słonecznych, ale był trudny do zrealizowania w ogniwie słonecznym. Te nowe ogniwa słoneczne w mikroskali są wytwarzane przy użyciu konwencjonalnej litografii połączonej z samodzielnym montażem. Jeśli okażą się praktyczne, urządzenia można by połączyć w duże macierze, które mają taką samą moc wyjściową jak konwencjonalne ogniwa, ale oszczędzają koszty materiałów, zużywając mniej krzemu.

Zamiast dużego kawałka półprzewodnika wyposażonego w soczewki skupiające i silniki do poruszania nim, chcemy stworzyć kompaktowe ogniwa, które nadal mają znaczną moc wyjściową, mówi Ralph Nuzzo , profesor chemii na Uniwersytecie Illinois w Urbana-Champaign.

Zakrzywione powierzchnie przechwytują więcej światła niż płaskie, ponieważ mają większą powierzchnię. Jednak wytwarzanie zakrzywionych lub kulistych ogniw słonecznych jest wyzwaniem, mówi Nuzzo, ponieważ techniki stosowane do przetwarzania materiałów półprzewodnikowych, takich jak krzem, działają najlepiej na płaskich powierzchniach. Grupa Nuzzo przezwyciężyła ten problem, tworząc mikroskalowe struktury trójwymiarowe, które samoorganizują się z płaskich arkuszy.

Naukowcy z Illinois zaczynają od obróbki powierzchni cienkiej, wysokiej jakości płytki krzemowej i przy użyciu konwencjonalnej litografii wytrawić cienki, dwuwymiarowy kształt. Aby stworzyć kulę, naukowcy wycięli krzem na kształt kwiatu. Następnie używają kleju, aby zabezpieczyć mały kawałek szkła w środku. Szkło pomaga konstrukcji zachować swój kształt po złożeniu. W końcu, gdy kropla wody umieszczona w środku kwiatka wyparowuje, napięcie powierzchniowe podciąga jego płatki do góry, ostatecznie łącząc je w kulę.

Wyzwanie polega na tym, jak sprawić, by rzeczy podążały za niezbędną sekwencją kroków, aby złożyć się do pożądanego kształtu? mówi Nuzzo. Grupa z Illinois opracowała modele matematyczne, które pomogą przewidzieć właściwości mechaniczne arkuszy krzemowych o różnych kształtach i grubościach, a także ich interakcje z wodą, które można dostroić poprzez chemiczną obróbkę ich powierzchni.

Grupa Nuzzo wykorzystała te techniki do stworzenia funkcjonujących mikroskopijnych sferycznych ogniw słonecznych, jako dowód funkcjonalności tego, co nazywa materiałami origami. Przed wycięciem krzemu w kształt płatka zespół poddał go obróbce, aby utworzyć regiony przewodzące, które umożliwiają działanie ogniwa słonecznego. Po złożeniu kwiatu w kulę dodano styki elektryczne. Grupa zastosowała podobną technikę do produkcji cylindrycznych mikroogniw słonecznych.

Urządzenia te przekształcają tylko około 1 procent padającego na nie światła w energię elektryczną – słaby zwrot dla ogniwa słonecznego – ale jest to lepsze niż w przypadku płaskiego ogniwa słonecznego wykonanego przy użyciu tych samych stosunkowo surowych technik przy użyciu tej samej ilości krzemu. Naukowcy twierdzą, że technikę tę można zastosować do innych materiałów poza krzemem i wykorzystać do tworzenia nowych form ogniw słonecznych. Praca jest opisana online w tym tygodniu w Materiały Narodowej Akademii Nauk .

Składanie jest bardzo atrakcyjne, ponieważ można tworzyć fantastyczne, skomplikowane trójwymiarowe kształty, mówi Jerzy Barbastathis , profesor inżynierii mechanicznej na MIT.

Istnieją inne sposoby poprawy zdolności ogniw słonecznych do przechwytywania światła, takie jak powłoki antyrefleksyjne i teksturowanie powierzchni. Główną zaletą nowego podejścia jest to, że wymaga mniej materiału, mówi Nuzzo. Planarne ogniwa słoneczne o grubości zaledwie kilku mikrometrów nie mogą być teksturowane – po prostu nie ma wystarczającej ilości materiału. Powłoki antyrefleksyjne zwiększają koszty produkcji i zwiększają złożoność. Nuzzo ma nadzieję, że samodzielny montaż może stanowić alternatywę.

Grupa z Illinois będzie teraz pracować nad ulepszeniem procesu i opracować projekty, które jeszcze bardziej poprawią zarządzanie światłem w komórkach. „Chcemy przedstawić obudowy, które opierają się na materiałach o wysokiej wydajności, takich jak krzem, ale zapewniają znaczną oszczędność przy użyciu jak najmniejszej ilości tych drogich materiałów”, mówi Nuzzo.

ukryć