211service.com
Silicio nanokristalai itin efektyviems saulės elementams
Tipiškas saulės elementas sukuria tik vieną elektroną kiekvienam gaunamos saulės šviesos fotonui. Manoma, kad kai kurios egzotiškos medžiagos viename fotone gamina kelis elektronus, tačiau pirmą kartą toks pat poveikis buvo pastebėtas silicyje. Tyrėjai iš Nacionalinė atsinaujinančios energijos laboratorija (NREL), Golden, CO, parodė, kad silicio nanokristalai gali pagaminti du ar tris elektronus kiekvienam didelės energijos saulės šviesos fotonui. Jų teigimu, dėl šio efekto gali atsirasti naujo tipo saulės elementų, kurie yra pigūs ir daugiau nei dvigubai efektyvesni už šiandieninius tipinius fotovoltinius elementus.
Supiltas silicis: Septynių nanometrų kristalinio silicio gabalo, vadinamo nanokristaliniu arba kvantiniu tašku, mikrografija. Tokios struktūros galėtų smarkiai padidinti saulės elementų efektyvumą.
Kaip ir ankstesniame darbe su kitomis medžiagomis, papildomi elektronai gaunami iš mėlynos ir ultravioletinės šviesos fotonų, kurie turi daug daugiau energijos nei iš likusio saulės spektro, ypač raudonos ir infraraudonosios šviesos. Daugumoje saulės elementų papildoma mėlynos ir ultravioletinės šviesos energija švaistoma kaip šiluma. Tačiau mažas nanoskalės kristalų dydis, dar vadinamas kvantiniais taškais, sukelia naujus kvantinius mechaninius efektus, kurie paverčia šią energiją elektronais.
Sukurdami kelis elektronus iš didelės energijos fotonų, saulės elementai, pagaminti iš silicio nanokristalų, teoriškai galėtų paversti daugiau nei 40 procentų šviesos energijos į elektros energiją, sakoma pranešime. Artūras Nozikas, NREL vyresnysis mokslo darbuotojas. Priešingai, šiandieninių plokščių stogų saulės baterijų efektyvumas geriausiu atveju yra šiek tiek didesnis nei 20 procentų ir teoriškai ribojamas iki maždaug 30 procentų. Saulės šviesos sutelkimas naudojant veidrodžius ar lęšius galėtų padidinti šį skaičių iki maždaug 40 procentų, tačiau toks pat metodas galėtų padidinti silicio-nanokristalinio saulės elemento efektyvumą iki gerokai daugiau nei 60 procentų, sako Nozikas.
Be to, saulės elementai, pagaminti iš silicio nanokristalų, gali būti pigūs, suteikdami jiems didelį pranašumą prieš kitus didelio efektyvumo saulės elementų metodus. Pavyzdžiui, pažangių daugiasluoksnių elementų efektyvumas yra didesnis nei 40 proc. Tačiau tam reikalingi sudėtingi gamybos procesai, kuriuose derinami brangūs puslaidininkiai, optimizuoti skirtingoms saulės spektro dalims. Silicio nanokristalai, priešingai, yra gana nesunkūs, net palyginti su įprastų saulės elementų medžiaga, iš kurių geriausi yra pagaminti iš labai didelių pavienių silicio kristalų.
Silicio nanokristalai taip pat turi ryškių pranašumų, palyginti su kitomis nanokristalinėmis medžiagomis, kurios parodė daugiaelektroninį efektą. Kai kuriose iš šių medžiagų yra toksiškų elementų, tokių kaip švinas ar kadmis, o kitos priklauso nuo elementų, tokių kaip indis, kurių tiekimas yra ribotas. Tačiau silicis yra ir saugus, ir jo gausu. Tai taip pat gerai ištirta, sako Christiana Honsberg , Delavero universiteto elektros ir kompiuterių inžinerijos profesorius, todėl inžinieriai žino, kaip dirbti su juo gaminant saulės elementus. Iš tiesų, dėl daugelio tų pačių priežasčių silicis šiandien yra labiausiai paplitusi medžiaga saulės elementuose ir yra patrauklus kaip pagrindas platesniam fotovoltinės energijos panaudojimui ateityje.
Prieš NREL darbą mokslininkai manė, kad silicio kristalai, pakankamai maži, kad sukurtų daugiaelektroninį efektą, būtų nepraktiški kaip fotovoltinė medžiaga. Nano skalėje silicio optinės savybės pasikeičia taip, kad jis mažiau šviesos iš raudonojo spektro galo paverčia elektronais. Dėl to būtų kompensuojama bet kokia nauda, gauta efektyviau konvertuojant mėlyną ir ultravioletinę šviesą. Nozikas ir jo kolegos išsiaiškino, kad nanokristalai neturi būti tokie maži, kaip manyta anksčiau, kad būtų išvengta šios problemos.
Be abejo, NREL darbas yra tik pirmas žingsnis. Sukurti saulės elementus, kurie išnaudotų kelių elektronų generavimą, yra iššūkis. Taip yra todėl, kad papildomi elektronai yra labai trumpalaikiai, todėl juos sunku išskirti iš nanokristalų, kad būtų sukurta elektros srovė. Iš tiesų, tai pasirodė taip sunku, kad poveikio įrodymai buvo gauti naudojant netiesioginius metodus, tokius kaip spektroskopija, o ne iš saulės elemento generuojamos srovės. Netiesioginių priemonių naudojimas paskatino kai kuriuos žinomus ekspertus suabejoti, ar iš tikrųjų gaminami papildomi elektronai, nors Nozik teigia, kad poveikis buvo patvirtintas naudojant kelis metodus. Nozikas ir jo kolegos dabar stengiasi pagaminti saulės elementus iš silicio nanokristalų – jie tiria daugybę naujų konstrukcijų – ir sako, kad neseniai atliko tiesioginius matavimus, rodančius, kad jų ląstelės atpalaiduoja kelis elektronus kiekvienam sugertu fotonui. (Jų rezultatai dar turi būti paskelbti.)
Honsbergas atsargiai nusiteikęs optimistiškai ir vadina kelių elektronų efekto atradimą silicio nanokristaluose proveržiu, tačiau tik vienam iš trijų ar keturių proveržių prireikė pigių, itin efektyvių saulės elementų gamybai.