Nove oblike bi lahko povečale sončne celice, ki presegajo njihove meje


Sončne odeje dovolj fotografov na uro, da zadostijo potrebam energije po celem svetu za eno leto. Vprašanje je, kako jih učinkovito pretvoriti v elektriko. Tudi v majhnih laboratorijskih pogojih so najboljše svetovne solarne celice na svetu, ki jih najdemo v večini sončnih celic, še vedno največje pri pridobivanju 29 odstotkov sončne energije. To jih postavlja v skrajni meji približno ene tretjine, ki so jo raziskovalci iz sonca izračunali pred pol stoletja. Toda znanstveniki, ki preučujejo fotovoltaiko – proces, s katerim se sončna svetloba pretvori v električno energijo – tudi dolgo sumijo, da ta meja ni tako trda, kot se je nekoč zdela.

Zgornja meja učinkovitosti sončnih celic, znana kot meja Shockley-Queisser, je med 29 in 33 odstotkov, odvisno od tega, kako jo merite. Predpostavlja enojno povezovalno celico, kar pomeni, da je narejena z uporabo samo ene vrste polprevodnikov in se napaja z neposredno sončno svetlobo. Da bi presegli mejo, so raziskovalci poskušali zložiti več vrst polprevodnikov ali uporabiti leče za koncentriranje svetlobe, tako da celica prejme udarec stotine krat močnejši od sonca. V začetku tega leta je Nacionalni laboratorij za obnovljivo energijo postavil svetovni rekord, ko je uporabil sončno celico s šestimi priključki in snop, ki je bil 143-krat bolj koncentriran kot sončna svetloba, da bi dosegel kar 47,1-odstotno energetsko učinkovitost.

Toda ta tehnologija ne bo nikoli uporabljena v obsegu. Razlog, pravi Marc Baldo, profesor elektrotehnike in računalništva na MIT-u, je, da so te ultra visoko učinkovite večplastne sončne celice preveč zapletene in drage za proizvodnjo sončnih celic. Da bi dejansko dobili več sončne energije na električnem omrežju, morate ugotoviti, kako doseči mejo Shockley-Queisser z enojnimi stikalnimi sončnimi celicami na osnovi silicija, ki so sorazmerno preproste in poceni za proizvodnjo. Še bolje bi bilo najti način, da se meja dvigne. Po desetletju dela so lahko Baldo in njegovi kolegi končno ugotovili, kako.

Kot je podrobno opisano v članku, objavljenem prejšnji teden Narava, Baldova ekipa je sončne celice prekrivala v tanki plasti tetracena, organske molekule, ki učinkovito razdeli prihajajoče fotone na dve. Ta proces je znan kot eksitonska fisija in pomeni, da je sončna celica sposobna uporabljati visokoenergijske fotone iz modro-zelenega dela vidnega spektra.

Tako deluje. Silicijeve sončne celice ustvarjajo električni tok z uporabo prihajajočih fotonov, da iztisnejo elektrone iz silicija v vezje. Koliko energije to potrebuje? Odvisen je od atributa materiala, ki ga poznamo kot njegov pasovni razmik. Silicijev razmik med pasovi ustreza infrardečim fotonom, ki v vidnem delu elektromagnetnega spektra prenaša manj energije kot fotoni. Fotoni zunaj silicijevega pasu v bistvu gredo v odpadke. Toda tukaj prihaja tetracen: Modro-zelene fotone razdeli na dva "paketa" energije, ki sta vsak ekvivalentna infrardečemu fotonu. Torej namesto vsakega infrardečega fotona, ki trka brez elektrona, lahko en sam foton v modro-zelenem spektru razbije dva elektrona. V bistvu dobiva dva fotona za ceno enega.

Ta nova celica predstavlja popolnoma nov pristop k dobro znani raziskavi v raziskavah fotovoltaike: če želite prenesti mejo Shockley-Queisser, morate zajeti energijo iz širšega spektra sončnih fotonov. Ker ta celica ni odvisna od dragega svežnja materialov z različnimi pasovnimi pasovi, da bi razširila svoj obseg, je lahko tudi bolj praktična. Baldo pravi, da bi uporaba tetracena lahko dosegla teoretično mejo energetske učinkovitosti do 35 odstotkov, kar je več kot je bilo mogoče za enojne celice.

Čeprav je dodajanje tetracena konceptualno preprosto, je bilo njegovo izvajanje manj pomembno. Razlog, pravi Baldo, je, da če postavite tetracen neposredno na silicij, interakcijo na tak način, da ubije električni naboj. Izziv za Balda in njegove sodelavce je bil, da so našli material, ki bi ga bilo mogoče združiti med dvema materialoma, da bi energijski paketi lahko prešli iz tetracena v silicij. Teoretična literatura jim je dala malo navodil, zato se je ekipa ukvarjala z dolgim ​​procesom poskusov in napak, da bi našla pravi vmesni material. Izkazalo se je, da je to sloj hafnijskega oksinitrida debel samo osem atomov.

Toda ta celica še ni dosegla nobenega zapisa. Njegova učinkovitost je bila približno 6-odstotna v testih, zato je še dolga, preden se lahko konkurira obstoječim silicijevim sončnim celicam, kaj šele, da se pokaže na strehi. Toda to delo je bilo mišljeno le kot dokaz koncepta cepitve eksitona v sončni celici. Za boljšo učinkovitost celice, je povedal Baldo, bo potrebno nekaj inženirskega dela, da se optimizira za cepitev eksitona.

V tem smislu, kar je skupina MIT pokazala, ni bila toliko konkurenčna tehnologija, temveč nova rešitev za preseganje meja obstoječe fotovoltaike, pravi Joseph Berry, višji znanstvenik v Nacionalnem laboratoriju za obnovljivo energijo. "Kul je, da je to bistveno drugačen pristop od tradicionalnih fotovoltaičnih sistemov," pravi. "To je ideja, ki je že dolgo prisotna, vendar ni bila prevedena v nobeno funkcionalno napravo."

Berry in njegovi sodelavci pri NREL preučujejo druge načine za izboljšanje učinkovitosti sončnih celic brez dodane kompleksnosti in stroškov celic z več stiki. Ena najbolj obetavnih smernic, ki jih preučuje Berry, so perovskitne celice, ki uporabljajo sintetične materiale, ki imajo strukturne lastnosti, podobne naravnim mineralnim perovskitom. Prve perovskitne sončne celice so bile proizvedene šele pred desetimi leti, od takrat pa so bile priča doslej najhitrejšemu izkoristku vseh vrst sončnih celic.

Perovskitne celice imajo številne prednosti pred tradicionalnimi silikonskimi sončnimi celicami, pravi Berry, zlasti njihova toleranca za materialne napake. Le nekaj nezaželenih delcev na silicijevi sončni celici lahko postane neuporabno, toda perovskitni materiali še vedno dobro delujejo, tudi če niso popolni. Prav tako učinkoviteje obdelujejo fotonsko energijo kot silicij. Eden od glavnih razlogov, zakaj je silicij prevladoval v tehnologiji sončnih celic, ni v tem, da je to najboljši material za delo, temveč zgolj zato, ker znanstveniki tako veliko poznajo zaradi njegove široke uporabe v digitalnih tehnologijah.

Do sedaj se nobena od teh sončnih celic naslednje generacije ni našla v komercialne izdelke. Skoraj vsi solarni kolektorji, ki trenutno delujejo, uporabljajo tradicionalne enoslojne silicijeve celice, za katere je bilo dokazano, da zdržijo elemente že desetletja. Za pridobivanje sončnih plošč na osnovi perovskita bo potrebno dokazati, da so stabilne in da lahko trajajo 20 ali več let. Berry pravi, da so številna podjetja že uvedla perovskite panele manjšega obsega, za katere upa, da bodo utrla pot širšemu sprejemanju po cesti.

V prihodnosti Berry pravi, da je možno, da bi se tehnologija ekscitonske fisije, ki se razvija v MIT, lahko kombinirala s perovskitnimi sončnimi celicami, da bi povečala njihovo učinkovitost. "To ni predlog ali predlog," pravi Berry, toda prva eksitonska fisija mora dokazati, da je dovolj učinkovita za aplikacije v resničnem svetu. Navsezadnje bo pridobivanje več sončne svetlobe na omrežju verjetno vključevalo vrsto solarnih tehnologij, vsaka s svojimi lastnimi prednostmi.


Več Great WIRED Stories