211service.com
„Światłowody” zwiększają efektywność organicznej energii słonecznej
Naukowcy z Północnej Karoliny opracowali sposób na ponad podwojenie wydajności organicznych ogniw słonecznych poprzez dodanie warstwy pionowych włókien optycznych, które działają jak pułapki światła słonecznego.
Las włóknisty: Ten prototypowy panel słoneczny jest pokryty światłowodami. Fotony odbijają się wewnątrz włókien, zanim zostaną wchłonięte, co podwaja wydajność panelu w porównaniu ze zwykłymi komórkami organicznymi.
David Carroll , profesor fizyki na Wake Forest University, kierował opracowaniem prototypu ogniwa słonecznego zawierającego włókna. Jest głównym naukowcem w firmie spinoff o nazwie FibreCell która opracowuje proces produkcyjny z szpuli na szpulę do produkcji ogniw. Jesteśmy u progu posiadania działających demonstrantów, które przekonałyby kogoś do rozpoczęcia produkcji z tym, powiedział Carroll .
Najlepsze dziś organiczne ogniwa słoneczne mają prawie 8 procent wydajności, chociaż trwają prace nad opracowaniem chemii organicznej, która podniosłaby wydajność takich ogniw powyżej 10 procent. Ale Carroll twierdzi, że sama ulepszona chemia nie wystarczy, aby dogonić wydajność ogniw krzemowych. Odpowiedź nie leży w chemii – leży w architekturze samej komórki, mówi. Carroll dodaje, że koszt produkcji ogniw organicznych opartych na włóknach w dolarach za wat powinien być mniej więcej taki sam, jak w przypadku płaskich ogniw organicznych. Ale można je wyprodukować w fabryce kosztującej jedną dziesiątą ceny odlewni krzemu, mówi. Dzięki temu byłyby znacznie tańsze w produkcji niż ogniwa krzemowe.
Problem ze standardowymi ogniwami płaskimi, niezależnie od tego, czy są wykonane z materiału organicznego, czy nieorganicznego, polega na tym, że część światła słonecznego jest tracona w wyniku odbicia. Aby zmniejszyć ten efekt, producenci komórek nakładają powłoki antyrefleksyjne lub trawią powierzchnię komórki, aby zwiększyć absorpcję fotonów. Zespół Carrolla przyjął bardziej dramatyczne podejście, tłocząc włókna światłowodowe na podłożu polimerowym, które stanowi podstawę komórki.
Włókna, które Carroll nazywa światłowodami, wystają z powierzchni jak szorstkie ściernisko. Są otoczone cienkimi organicznymi ogniwami słonecznymi nakładanymi w procesie powlekania zanurzeniowego, a na ogniwo natryskuje się również absorbujący światło barwnik lub polimer. Światło może dostać się do końcówki włókna pod dowolnym kątem. Fotony odbijają się następnie wewnątrz włókna, dopóki nie zostaną wchłonięte przez otaczającą komórkę organiczną.
Naukowcy przetestowali ogniwo z włókna szklanego w laboratorium i odkryli, że włókno zwiększa absorpcję światła o około połowę. Carroll twierdzi, że ogniwa mogą również wytwarzać dwa razy więcej watogodzin w ciągu dnia w porównaniu z płaskimi panelami, ponieważ mogą odbierać światło pod różnymi kątami. To to samo, co wzięcie płaskiego urządzenia i skierowanie go przez cały dzień bezpośrednio na słońce, mówi.
Naukowcy z Georgia Tech eksperymentują z podobnymi organicznymi ogniwami słonecznymi na bazie włókien. Zhong Lin Wang , profesor inżynierii materiałowej na uniwersytecie, twierdzi, że podejście to ma znaczną przewagę nad konwencjonalnymi konstrukcjami z ogniwami płaskimi. Jego laboratorium opracowało komórkę hybrydową składającą się ze światłowodów i nanodrutu z tlenku cynku, który jest hodowany na zewnętrznych ściankach włókien. Nanodruty, poddane działaniu barwników pochłaniających światło, mają zapewnić większą powierzchnię do przechwytywania światła słonecznego. Wang mówi, że to podejście zwiększa wydajność sześciokrotnie, chociaż jego laboratorium nie wykroczyło jeszcze poza pojedyncze pasmo włókien. Wciąż pracujemy nad integracją wielu włókien [na większej powierzchni], mówi.
Carroll rozpoczął swoje badania w 2004 roku, dając Wake University przewagę na drodze do komercjalizacji. Większość dostępnych obecnie urządzeń jest na pojedynczych włóknach, mówi. Carroll twierdzi również, że na rynku nie brakuje technik przetwarzania roll-to-roll, które mogłyby sprawić, że podłoża będą pokryte włóknami optycznymi. Będziemy pożyczać od nich; nie jest to trudne, mówi. Wrażliwość na grubość warstwy i jakość powłok jest znacznie mniejsza, niż się spodziewaliśmy, co oznacza, że drogi produkcyjne są znacznie bliższe, niż początkowo zakładaliśmy.
Firma FiberCell prowadzi obecnie rozmowy z inwestorami i zamierza wyprodukować swoje ogniwa organiczne na bazie włókien do dachówek i innych produktów, które skorzystałyby z możliwości przyjmowania światła pod różnymi kątami. teoretycznie powinien być w stanie przekroczyć 15 procent wydajności, zbliżając się do 20 procent, mówi Carroll. Dzięki temu organiczna technologia fotowoltaiczna będzie konkurencyjna w stosunku do dzisiejszych najlepszych paneli krzemowych.
Jana Pawła Morgana , inżynier optyczny i dyrektor ds. technologii w firmie Morgan Solar zajmującej się skoncentrowaną fotowoltaiczną energią słoneczną, mówi, że podejście FiberCell będzie musiało konkurować z innymi technikami zaprojektowanymi w celu zwiększenia powierzchni panelu i zatrzymywania większej ilości światła. Wykazano na przykład, że wyhodowanie lasu ciasno zgrupowanych nanodrutów na wierzchu podłoża poprawia wydajność komórek organicznych.
Włókna światłowodowe są interesującym podejściem, ale podobnie jak inne podejścia, sprowadzają się do wyzwań związanych z produkcją, powiedział Morgan. Wszystkie nowe technologie ogniw napotykają problemy z wilgocią, połączeniami elektrycznymi, zużyciem. Jeśli uda im się je przezwyciężyć, może to być bardzo realny pomysł. Nie mogę się doczekać, co będzie dalej.