211service.com
Owijanie ogniw słonecznych wokół światłowodu
Wrażliwe na barwnik ogniwa słoneczne są elastyczne i tanie w produkcji, ale zwykle nie są wydajne w przekształcaniu światła w energię elektryczną. Jednym ze sposobów na zwiększenie wydajności dowolnego ogniwa słonecznego jest zwiększenie powierzchni dostępnej dla wchodzącego światła. Tak więc grupa naukowców z Georgia Tech stworzyła fotoogniwa światłoczułe o znacznie większej efektywnej powierzchni, owijając je wokół włókien optycznych. Te włóknowe ogniwa słoneczne są sześć razy bardziej wydajne niż ogniwa słoneczne z tlenku cynku o tej samej powierzchni, a jeśli można je zbudować przy użyciu tanich włókien polimerowych, nie powinny być znacznie droższe w produkcji.
Solar na włóknie : Światłowód (po lewej) jest pokryty pokrytymi barwnikiem nanodrutami z tlenku cynku (zbliżenie po prawej). Oba obrazy wykonano przy użyciu skaningowego mikroskopu elektronowego.
Zaletą światłowodowego systemu ogniw słonecznych w porównaniu z systemem planarnym jest to, że światło odbija się wewnątrz światłowodu podczas jego przemieszczania się, zapewniając więcej możliwości interakcji z ogniwem słonecznym na jego wewnętrznej powierzchni i wytwarzając więcej prądu. Dla danej nieruchomości całkowita powierzchnia komórki jest większa, a zwiększona powierzchnia oznacza lepsze zbieranie światła i więcej energii, mówi Max Sztein , adiunkt inżynierii materiałowej i inżynierii materiałowej na Uniwersytecie Michigan, który nie był zaangażowany w badania.
Światłowodowe ogniwa słoneczne mogą być również wykorzystywane w sposób, który nie jest obecnie możliwy. Zhong Lin Wang , profesor inżynierii materiałowej w Georgia Tech, mówi, że włóknowe ogniwa słoneczne zajmą mniej powierzchni dachu niż ogniwa planarne, ponieważ długie włókna mogłyby być osadzone w ścianach domu jak przewody elektryczne.
Wrażliwe na barwnik ogniwa słoneczne wykorzystują cząsteczki barwnika do pochłaniania światła i generowania elektronów. Grupa Georgia Tech najpierw usuwa płaszcz z włókien optycznych, a następnie hoduje na ich powierzchni nanodruty z tlenku cynku, jak włosie w urządzeniu do czyszczenia rur. Następnie włókna są traktowane cząsteczkami barwnika, które absorbują struktury tlenku cynku. Zaletą powlekania nanoprzewodów barwnikiem, a nie gładkiej powierzchni, jest to, że przewody łącznie mają bardzo dużą powierzchnię. Im więcej cząsteczek barwnika znajduje się na danym obszarze takiej komórki, tym więcej światła może ona wchłonąć, mówi Wang. Włókna powlekane barwnikiem są następnie otoczone elektrolitem i metalową warstwą, która odprowadza elektrony z urządzenia. Praca jest opisana online w czasopiśmie Angewandte Chemie Wydanie Międzynarodowe .
Pytanie brzmi, czy możesz pochłonąć całe światło przy użyciu niewielkiej ilości materiałów? mówi Yi Cui , adiunkt nauk o materiałach na Uniwersytecie Stanforda. Zbudowanie komórki o nanostrukturze na włóknie światłowodowym umożliwia osiągnięcie tego celu poprzez zwiększenie zarówno powierzchni pokrywanej przez barwnik, jak i efektywnej długości ścieżki światła, mówi. Im dłużej foton podróżuje przez ogniwo słoneczne, tym więcej ma możliwości interakcji i wygenerowania elektronu.
Jedną z potencjalnych przeszkód dla komórek włókien jest przede wszystkim dostanie się do nich wystarczającej ilości światła. Urządzenia Wanga zbierają światło tylko na ich końcach, więc aby uzyskać wystarczającą ilość światła do takiego ogniwa słonecznego bez konieczności śledzenia słońca, mniejsze włókna mogą być połączone razem. Cui mówi, że końcówki włókien mogą być wykonane z materiałów, które są bardzo skuteczne w kierowaniu światła na włókno. Innym sposobem na przezwyciężenie tego problemu jest zbudowanie komórek włókien, które mogą pochłaniać światło na całej swojej długości, a nie tylko na końcówkach – nad czym pracuje Shtein z Michigan. Jest to trudne, ponieważ oznacza to, że powłoki komórek muszą być zarówno przewodzące elektrycznie, jak i przezroczyste, co stanowi niezwykłą kombinację.
Shtein mówi jednak, że włókna, które pochłaniają światło z boków, oferują interesującą architekturę do przechwytywania światła, ponieważ można je rozmieścić w przestrzeni w sposób, który pomaga przechwytywać więcej fotonów skuteczniej niż w urządzeniu planarnym. Im płytszy kąt, pod jakim światło pada na płaską komórkę, tym więcej światła odbija się od jej powierzchni. Ale światło odbijające się od zakrzywionej powierzchni włókna pod niewielkim kątem będzie uderzać w sąsiednie światłowód. Ogniwa te można by zaprojektować tak, aby nie trzeba było instalować ich z systemami śledzenia słońca, i działałyby w pochmurne dni, gdy światło jest rozproszone, mówi Shtein.
Wang mówi, że następnym krokiem jest wypróbowanie różnych materiałów. Dotychczas budował ogniwa na światłowodach kwarcowych, które są stosunkowo drogie. Następnie planuje wykonać ogniwa z tańszych włókien polimerowych.