Nowe projekty mogą zwiększyć ogniwa słoneczne ponad ich granice


Koce słoneczne Ziemia z wystarczającą liczbą fotonów co godzinę, aby zaspokoić potrzeby energetyczne całego świata przez rok. Pytanie brzmi, jak skutecznie przekształcić je w energię elektryczną. Nawet w warunkach laboratoryjnych na małą skalę najlepsze na świecie ogniwa słoneczne jednozłączowe – takie, jakie można znaleźć w większości paneli słonecznych – wciąż wychwytują 29 procent energii słonecznej. Stawia to ich w obliczu trudnej granicy około jednej trzeciej, którą obliczyli badacze Słońca pół wieku temu. Ale naukowcy badający fotowoltaikę – proces przekształcania światła słonecznego w elektryczność – również od dawna podejrzewali, że ten limit nie jest tak trudny, jak się kiedyś wydawało.

Pułap wydajności ogniw słonecznych, znany jako limit Shockley-Queisser, wynosi od 29 do 33 procent, w zależności od tego, jak go mierzysz. Zakłada ona komórkę z pojedynczym złączem, co oznacza, że ​​jest wykonana przy użyciu tylko jednego rodzaju półprzewodnika i jest zasilana przez bezpośrednie światło słoneczne. Aby przekroczyć ten limit, naukowcy próbowali układać wiele typów półprzewodników lub używać soczewek do koncentrowania światła, aby komórka otrzymywała wybuch setki razy silniejszy niż słońce. Wcześniej w tym roku National Renewable Energy Lab ustanowił światowy rekord, gdy użył sześcio-ogniwowego ogniwa słonecznego i promienia 143 razy bardziej skoncentrowanego niż światło słoneczne, aby osiągnąć ogromną wydajność energetyczną na poziomie 47,1 procent.

Ale ta technologia nigdy nie zostanie wdrożona na skalę. Jak mówi Marc Baldo, profesor elektrotechniki i informatyki w MIT, te niezwykle wydajne, wielowarstwowe ogniwa słoneczne są zbyt skomplikowane i kosztowne w produkcji jak panele słoneczne. Aby faktycznie uzyskać więcej energii słonecznej na sieci elektrycznej, trzeba dowiedzieć się, jak trafić na limit Shockleya i Queissera za pomocą jednokierunkowych ogniw słonecznych na bazie krzemu, które są stosunkowo łatwe i tanie w produkcji. Jeszcze lepiej byłoby znaleźć sposób na podniesienie limitu wyżej. Po dziesięcioleciu pracy Baldo i jego koledzy w końcu odkryli, jak to zrobić.

Jak opisano w artykule opublikowanym w zeszłym tygodniu w Natura, Zespół Baldo pokrył ogniwa słoneczne cienką warstwą tetracenu, cząsteczki organicznej, która skutecznie dzieli przychodzące fotony na dwie części. Proces ten jest znany jako rozszczepienie ekscytonu i oznacza, że ​​ogniwo słoneczne jest w stanie użyć fotonów o wysokiej energii z niebiesko-zielonej części widma widzialnego.

Oto jak to działa. Silikonowe ogniwa słoneczne wytwarzają prąd elektryczny przy użyciu przychodzących fotonów, aby zrzucić elektrony z krzemu do obwodu. Ile energii to zabiera? Zależy to od atrybutu materiału znanego jako pasmo zabronione. Pasmo wzbronione krzemu odpowiada fotonom podczerwieni, które przenoszą mniej energii niż fotony w widzialnej części widma elektromagnetycznego. Fotony poza pasmem wzbronionym krzemu zasadniczo się marnują. Ale tu pojawia się tetracen: dzieli on niebiesko-zielone fotony na dwie „paczki” energii, z których każda odpowiada fotonowi podczerwonemu. Zamiast więc każdy foton w podczerwieni wybija wolny jeden elektron, pojedynczy foton w widmie niebiesko-zielonym może wytrącić dwa wolne elektrony. Zasadniczo otrzymuje dwa fotony w cenie jednego.

Ta nowa komórka reprezentuje całkowicie nowe podejście do dobrze znanego truizmu w badaniach fotowoltaicznych: jeśli chcesz przekroczyć limit Shockleya i Queissera, musisz przechwycić energię z szerszego zakresu fotonów słonecznych. Ponieważ ta komórka nie opiera się na drogim stosie materiałów z różnymi przerwami między kolejnymi pasmami, aby rozszerzyć jej zasięg, może być też bardziej praktyczna. Baldo twierdzi, że użycie tetracenu może podnieść teoretyczną granicę efektywności energetycznej do 35 procent – wyższą niż kiedykolwiek sądzono, że jest to możliwe w przypadku ogniw jednoczęściowych.

Chociaż dodanie tetracenu jest koncepcyjnie proste, wdrożenie go było mniej. Według Baldo powód jest taki, że jeśli umieścisz tetracen bezpośrednio na krzemie, oddziałują one w taki sposób, że zabijają ładunek elektryczny. Wyzwaniem dla Baldo i jego kolegów było znalezienie materiału, który mógłby być umieszczony między dwoma materiałami, aby umożliwić pakietom energii przepływ z tetracenu do krzemu. Literatura teoretyczna dawała im niewiele wskazówek, więc zespół zaangażował się w długi proces prób i błędów, aby znaleźć odpowiedni materiał interfejsu. Okazało się, że jest to warstwa tlenoazotku hafnu o grubości zaledwie ośmiu atomów.

Ale ta komórka jeszcze nie pokonała żadnych rekordów. Jego sprawność wynosiła około 6 procent w testach, więc ma przed sobą długą drogę, zanim będzie mogła konkurować z istniejącymi krzemowymi ogniwami słonecznymi, nie mówiąc już o pokazaniu się na dachu. Ale ta praca miała być jedynie dowodem koncepcji rozszczepienia ekscytonu w ogniwie słonecznym. Aby podnieść wydajność komórki, Baldo mówi, że będzie wymagać pewnych prac inżynieryjnych, aby zoptymalizować ją do rozszczepienia ekscytonów.

W tym sensie to, co zademonstrował zespół MIT, nie było tak konkurencyjną technologią, ale nowym środkiem do przekroczenia granic istniejących ogniw fotowoltaicznych, mówi Joseph Berry, starszy naukowiec w National Renewable Energy Laboratory. „Fajne jest to, że jest to zasadniczo inne podejście niż tradycyjne fotowoltaika”, mówi. „To pomysł, który istnieje już od dawna, ale nie został przetłumaczony na żadne urządzenie funkcjonalne”.

Berry i jego koledzy z NREL badają inne sposoby zwiększania wydajności ogniw słonecznych bez dodatkowej złożoności i kosztu ogniw wielozłączowych. Jednym z najbardziej obiecujących kierunków badanych przez Berry są komórki perowskitowe, które wykorzystują materiały syntetyczne, które mają właściwości strukturalne podobne do naturalnie występującego minerału Perowskit. Pierwsze ogniwa słoneczne perowskitowe zostały wyprodukowane zaledwie dziesięć lat temu, ale od tego czasu były świadkami najszybszych przyrostów wydajności dowolnego typu ogniw słonecznych.

Komórki perowskitowe mają wiele zalet w porównaniu z tradycyjnymi krzemowymi ogniwami słonecznymi, mówi Berry, w szczególności ich tolerancja na wady materiałowe. Zaledwie kilka niechcianych cząstek w krzemowym ogniwie słonecznym może uczynić go bezużytecznym, ale materiały perowskitowe nadal działają dobrze, nawet jeśli nie są doskonałe. Efektywniej radzą sobie również z energią fotoniczną niż krzem. Istotnie, jednym z głównych powodów, dla których krzem zdominował technologię ogniw słonecznych, nie jest to, że jest to najlepszy materiał do wykonania tego zadania, ale po prostu dlatego, że naukowcy wiedzą o nim tyle ze względu na jego szerokie zastosowanie w technologiach cyfrowych.

Jak dotąd żadne z ogniw słonecznych nowej generacji nie znalazło zastosowania w produktach komercyjnych. Prawie wszystkie obecnie używane panele słoneczne wykorzystują tradycyjne jednowarstwowe ogniwa krzemowe, które, jak udowodniono, wytrzymują te elementy przez dziesięciolecia. Wprowadzenie do pola paneli słonecznych opartych na perowskicie będzie wymagało wykazania, że ​​są stabilne i mogą przetrwać 20 lub więcej lat. Berry twierdzi, że wiele firm wdrożyło już małe panele perowskitowe, które, jak ma nadzieję, utorują drogę do szerszej adaptacji.

Patrząc w przyszłość, Berry mówi, że można sobie wyobrazić, że technologia rozszczepiania ekscytonów w MIT może być łączona z perowskitowymi ogniwami słonecznymi, aby zwiększyć ich wydajność. „To nie jest propozycja” – mówi Berry, ale pierwsze rozszczepienie ekscytonu musi udowodnić, że jest wystarczająco skuteczne w rzeczywistych zastosowaniach. Ostatecznie zwiększenie ilości światła słonecznego w sieci prawdopodobnie będzie wiązało się z zestawem technologii słonecznych, z których każda ma swoje zalety.


Więcej świetnych opowiadań