Wydajne cienkowarstwowe ogniwa słoneczne

Naukowcy z MIT ujawnili nowy typ krzemowego ogniwa słonecznego, które może być znacznie wydajniejsze i tańsze niż obecnie używane ogniwa słoneczne. Profesor materiałoznawstwa i inżynierii Lionel kimerling a jego koledzy przedstawili wyniki pierwszego prototypu urządzenia na niedawnym spotkaniu Materials Research Society w Bostonie.

Pułapka światła: Obraz z transmisyjnej mikroskopii elektronowej (TEM) pokazuje tylną powierzchnię krzemowego ogniwa słonecznego o grubości pięciu mikrometrów. Naprzemienne warstwy krzemu i dwutlenku krzemu tworzą doskonały odbłyśnik światła. Grzbiety i doliny wysyłają odbite światło do krzemu pod niskim kątem, co utrzymuje je w krzemie przez długi czas, zwiększając wydajność ogniwa.

Konstrukcja łączy wysoce skuteczny odbłyśnik z tyłu ogniwa słonecznego z powłoką antyrefleksyjną z przodu. Pomaga to uwięzić w krzemie światło czerwone i bliskie podczerwieni, które można wykorzystać do wytwarzania energii elektrycznej. Zespół badawczy licencjonuje podobną technologię do StarSolar , startup w Cambridge, MA.

Naukowcy zastosowali swój schemat pułapkowania światła na cienkich ogniwach krzemowych o grubości około pięciu mikrometrów. Ich prototypowe ogniwo słoneczne jest o 15 procent wydajniejsze w przekształcaniu światła w energię elektryczną niż komercyjne cienkowarstwowe ogniwa słoneczne. Lider projektu Piotr Bermel , który jest dyrektorem ds. technologii w StarSolar, mówi, że wyrafinowane symulacje komputerowe sugerują, że możliwy jest znacznie większy wzrost wydajności.

Cienkowarstwowe krzemowe ogniwa słoneczne mogą być tańsze niż konwencjonalne urządzenia, ponieważ zużywają znacznie mniej materiału. Konwencjonalne ogniwa słoneczne wykorzystują płytki krzemowe o grubości ponad 100 mikrometrów, podczas gdy urządzenia cienkowarstwowe mają grubość kilku mikrometrów. Jednak urządzenia cienkowarstwowe mają niższą wydajność. Dzieje się tak głównie z powodu fotonów czerwieni i bliskiej podczerwieni, które nie pozostają wystarczająco długo uwięzione w cienkim krzemie, aby mogły zostać wchłonięte.

Dzisiejsze ogniwa słoneczne są pokryte warstwą metalu, zwykle aluminium, która odbija światło. Ale ten schemat nie działa zbyt dobrze, a trzydzieści procent światła wewnątrz krzemowego ogniwa słonecznego jest tracone za każdym razem, gdy odbija się od metalu.

Zamiast używać metalowego podkładu, naukowcy z MIT zaprojektowali tylną powierzchnię krzemowego ogniwa słonecznego, aby skutecznie odbijało i zatrzymywało światło. Najpierw wytrawiają szereg grzbietów i koryt, zwanych kratą. Ponadto osadzają kryształ fotoniczny – strukturę okresową złożoną z wielu naprzemiennych warstw krzemu i dwutlenku krzemu.

Kryształ fotoniczny odbija światło, podczas gdy siatka wysyła to światło z powrotem do krzemu pod małym kątem. Dzięki temu światło odbija się w środku i zapobiega jego ucieczce. Im dłużej światło pozostaje w środku, tym bardziej prawdopodobne jest, że zostanie pochłonięte i przekształcone w energię elektryczną.

Ta praca pokazuje, jak ważna jest poprawa wydajności technologii cienkowarstwowych, mówi Stephen Saylor, dyrektor generalny SiOnyx w Beverly, MA. SiOnyx stosuje inne podejście do zwiększania absorpcji światła czerwonego i podczerwonego w cienkich urządzeniach krzemowych. Czarny materiał silikonowy firmy ma powierzchnię o nanoskalowej chropowatości, która pomaga pochłaniać całe światło widzialne i podczerwone. Potencjał materiału w ogniwach słonecznych nie został jeszcze wykazany.

Tymczasem w Ames Laboratory w Ames, IA, fizyk Rana Biswas a jego koledzy wykorzystują kryształy fotoniczne do zwiększenia wydajności amorficznych krzemowych ogniw słonecznych. Ich kryształ fotoniczny składa się z sieci maleńkich cylindrów krzemowych wewnątrz warstwy tlenku indu i cyny. Może zwiększyć wydajność ogniw słonecznych maksymalnie o 15 procent. Ale ich amorficzne krzemowe ogniwa słoneczne mają grubość zaledwie 0,5 mikrometra, czyli jedną dziesiątą wielkości urządzeń MIT. Ogólnie rzecz biorąc, ogniwa słoneczne z amorficzną warstwą krzemu wymagają znacznie mniej materiału, więc koszty spadają, mówi Biswas. Dodatkowo można je osadzać na tworzywach sztucznych. To duży plus.

Naukowcy z MIT mają na celu stworzenie cienkowarstwowych krzemowych ogniw słonecznych, które są wystarczająco dobre, aby konkurować z konwencjonalnymi ogniwami słonecznymi, mówi Bermel. Optymalizując struktury kryształu fotonicznego i siatki, naukowcy mogli wycisnąć maksymalną wydajność z ogniw słonecznych, zwiększając ją do 13%. Byłoby to porównywalne z 13-15-procentową wydajnością niektórych konwencjonalnych ogniw słonecznych.

Ogniwa słoneczne są obecnie dalekie od praktycznych. Do wykonania siatki naukowcy wykorzystują kosztowną technikę zwaną litografią interferencyjną. Ponadto naprzemienne warstwy w odbłyśniku są nakładane jedna po drugiej, co jest czasochłonne. Naukowcy muszą znaleźć technikę produkcyjną, która pozwoli im wytwarzać ogniwa słoneczne na dużą skalę i po niskich kosztach. Ostatecznym pytaniem, na które należy odpowiedzieć, jest skalowalność, mówi Saylor. Aby wywrzeć rzeczywisty wpływ, każde rozwiązanie musi być opłacalnie skalowane do masowej produkcji.

Bermel mówi, że jego zespół rozważa już inne metody produkcji. Jedną z obiecujących opcji jest litografia nanoimprint, ale jeszcze jej nie wypróbowano. Symulacje wyraźnie przewidują 35-procentowy wzrost wydajności, ale wyzwaniem jest: „Czy możesz to zrobić praktycznie?”. Nad tym pracujemy.

ukryć