211service.com
Przechwytywanie większej ilości światła za pomocą pojedynczego ogniwa słonecznego
Najbardziej wydajne ogniwa słoneczne zazwyczaj składają się z kilku warstw materiałów półprzewodnikowych, z których każda jest dostrojona do przekształcania różnych kolorów światła w energię elektryczną. Badacze w Laboratorium Narodowe im. Lawrence'a Berkeley'a stworzyli teraz jeden półprzewodnik, który wykonuje prawie to samo zadanie. Co ważniejsze, wykonali materiał przy użyciu powszechnej techniki produkcyjnej, co sugeruje, że można go wykonać stosunkowo niedrogo .
Prototypowa komórka: To małe ogniwo słoneczne jest wykonane z materiału półprzewodnikowego zaprojektowanego do pochłaniania większej ilości widma słonecznego.
Kilka grup badawczych opracowuje materiały półprzewodnikowe, które wykorzystują więcej energii słonecznej, w oparciu o pomysł z 1960 roku dotyczący zmiany sposobu, w jaki materiały półprzewodnikowe w ogniwach słonecznych oddziałują ze światłem. Ale materiały użyte w tych badaniach są zazwyczaj bardzo trudne do wykonania.
Wiele pozostaje jeszcze do zrobienia, zanim materiał laboratoryjny Lawrence Berkeley mógłby zostać wykorzystany w praktycznym ogniwie słonecznym, ale teoretycznie może on przekształcić prawie połowę energii światła słonecznego w energię elektryczną — trzy razy więcej niż większość jednowarstwowych (lub jednozłączowych) ogniw słonecznych. komórki. Takie ogniwo słoneczne może również kosztować mniej niż warstwowe (lub wielozłączowe) ogniwa słoneczne obecnie potrzebne do osiągnięcia wysokiej wydajności, ponieważ wymagałoby tylko jednego materiału półprzewodnikowego.
W konwencjonalnym materiale półprzewodnikowym potrzeba pewnej ilości energii, aby uwolnić elektron i wytworzyć energię elektryczną. Fotony, które mają mniej energii — powiedzmy fotony w świetle podczerwonym — nie wytwarzają elektryczności. A jeśli foton ma więcej niż minimum — na przykład foton w energetycznym świetle ultrafioletowym — dodatkowa energia jest marnowana w postaci ciepła.
Nowy materiał półprzewodnikowy oparty jest na arsenku galu. Zwykle ten materiał wymaga fotonów o wysokiej energii do generowania elektryczności. Ale naukowcy zmodyfikowali go tak, aby energia z więcej niż jednego fotonu była wykorzystywana do uwolnienia elektronu – energia sumuje się aż do uwolnienia elektronu. Zastąpienie niektórych atomów arsenu w materiale atomami azotu tworzy regiony, które działają jak pomosty dla elektronów, które pochłonęły część energii z fotonów o niskiej energii, gdzie mogą czekać na otrzymanie energii z większej liczby fotonów, mówi Władek Walukiewicz , który kieruje Grupą Badawczą Materiałów Energii Słonecznej w laboratorium Lawrence Berkeley, a także kierował projektem.
Nowy materiał przekształca fotony o wysokiej energii w energię elektryczną bez marnowania ich energii w postaci ciepła, a także przekształca fotony o niskiej energii w energię elektryczną – fotony, które normalnie nie zostałyby zaabsorbowane przez materiał.
Podobny efekt osiąga się w komercyjnych wielozłączowych ogniwach słonecznych, które są wykonane zasadniczo przez ułożenie trzech ogniw słonecznych jeden na drugim, z których każde jest zoptymalizowane pod kątem innego koloru światła. Jednak połączenie tych trzech ogniw słonecznych jest kosztowne i skomplikowane, ponieważ każda warstwa musi być ściśle dopasowana do pozostałych warstw.
Prototypowe ogniwo słoneczne jest nadal stosunkowo nieefektywne. Częścią problemu jest to, że wiele elektronów, które pochłonęły część energii z fotonów o niskiej energii, nie utrzymuje tej energii wystarczająco długo, aby wchłonąć energię z innego fotonu. Te elektrony nigdy nie wydostają się z materiału, a energia jest tracona w postaci ciepła. Naukowcy współpracują z dwiema firmami, Rose Street Labs Energy i Sumika Electronic Materials, aby rozwiązać ten problem. Jedną z opcji jest na przykład domieszkowanie materiału atomami fosforu w celu zmiany jego właściwości elektrycznych.
To będzie trudne, mówi Andrew Norman, naukowiec z Krajowe Laboratorium Energii Odnawialnej . Norman pracował również nad tego typu ogniwem słonecznym, chociaż wykonanym z bardzo różnych materiałów. Norman twierdzi, że nowa praca jest interesująca, szczególnie ze względu na wysokie poziomy napięcia wytwarzane przez ogniwo, ale zauważa, że komercjalizacja tego typu ogniwa okazała się trudna. Trzeba się zastanawiać, dlaczego przez 50 lat nikt nie odniósł sukcesu – mówi.