211service.com
Veiksmingi plonasluoksniai saulės elementai
MIT mokslininkai pristatė naujo tipo silicio saulės elementus, kurie galėtų būti daug efektyvesni ir kainuoti pigiau nei šiuo metu naudojami saulės elementai. Medžiagų mokslo ir inžinerijos profesorius Lionelis Kimerlingas ir jo kolegos pristatė pirmojo prietaiso prototipo rezultatus neseniai Bostone vykusiame Medžiagų tyrimų draugijos susitikime.
Šviesos gaudyklė: Transmisijos elektronų mikroskopijos (TEM) vaizdas rodo penkių mikrometrų storio silicio saulės elemento galinį paviršių. Kintamieji silicio ir silicio dioksido sluoksniai sudaro puikų šviesos reflektorių. Kreivės ir loviai siunčia atspindėtą šviesą į silicį mažu kampu, todėl jis ilgą laiką lieka įstrigęs silicyje, padidindamas ląstelės efektyvumą.
Dizainas sujungia labai efektyvų atšvaitą saulės elemento gale ir antirefleksinę dangą priekyje. Tai padeda sulaikyti raudoną ir beveik infraraudonųjų spindulių šviesą, kuri gali būti naudojama elektros energijai gaminti, silicyje. Mokslininkų komanda licencijuoja panašią technologiją StarSolar , startuolis Kembridže, MA.
Tyrėjai savo šviesos gaudymo schemą taikė ant plonų silicio elementų, kurių storis yra apie penkis mikrometrus. Jų prototipas saulės elementas yra 15 procentų efektyvesnis paverčiant šviesą į elektros energiją nei komerciniai plonasluoksniai saulės elementai. Projekto vadovas Piteris Bermelis , kuris yra StarSolar vyriausiasis technologijų pareigūnas, teigia, kad sudėtingi kompiuteriniai modeliai rodo, kad galima žymiai padidinti efektyvumą.
Plonos plėvelės silicio saulės baterijos gali būti pigesnės nei įprasti prietaisai, nes sunaudojama daug mažiau medžiagų. Įprasti saulės elementai naudoja silicio plokšteles, kurių storis viršija 100 mikrometrų, o plonasluoksnių įrenginių storis siekia kelis mikrometrus. Tačiau plonasluoksniai įrenginiai turi mažesnį efektyvumą. Taip yra daugiausia dėl raudonųjų ir beveik infraraudonųjų spindulių fotonų, kurie nebūna įstrigę ploname silicyje pakankamai ilgai, kad būtų absorbuojami.
Šiuolaikiniai saulės elementai yra padengti metaliniu sluoksniu, paprastai aliuminiu, kad atspindėtų šviesą. Tačiau ši schema neveikia labai gerai, o silicio saulės elemento viduje esančios šviesos trisdešimt procentų prarandama kiekvieną kartą, kai ji atsimuša nuo metalo.
Užuot naudoję metalinį pagrindą, MIT mokslininkai sukonstruoja galinį silicio saulės elemento paviršių, kad jis efektyviai atspindėtų ir sulaikytų šviesą. Pirmiausia jie išgraviruoja keletą keterų ir lovių, vadinamų grotelėmis. Be to, jie nusodina fotoninį kristalą - periodinę struktūrą, sudarytą iš kelių kintamų silicio ir silicio dioksido sluoksnių.
Fotoninis kristalas atspindi šviesą, o grotelės siunčia šią šviesą atgal į silicį mažu kampu. Tai neleidžia šviesai šokinėti viduje ir neleidžia jai ištrūkti. Kuo ilgiau šviesa išliks, tuo didesnė tikimybė, kad ji bus sugerta ir paversta elektra.
Šis darbas parodo, kaip svarbu pagerinti plonasluoksnių technologijų našumą, sako Stephenas Sayloras, bendrovės generalinis direktorius SiOnyx Beverly mieste, MA. SiOnyx taiko kitokį požiūrį, kaip padidinti raudonos ir infraraudonosios šviesos sugertį plonuose silicio įrenginiuose. Bendrovės juodos silicio medžiagos paviršius turi nanoskalės šiurkštumą, kuris padeda sugerti visą matomą ir infraraudonąją šviesą. Šios medžiagos potencialas saulės elementams dar neįrodytas.
Tuo tarpu Ames laboratorijoje Ames mieste, IA, fizikas Rana Biswas ir jo kolegos naudoja fotoninius kristalus, kad amorfiniai silicio saulės elementai būtų efektyvesni. Jų fotoniniai kristalai sudaryti iš mažyčių silicio cilindrų gardelės indžio-alavo oksido sluoksnyje. Tai galėtų padidinti saulės elementų efektyvumą daugiausiai 15 procentų. Tačiau jų amorfiniai silicio saulės elementai yra tik 0,5 mikrometro storio, dešimtadalio MIT įrenginių dydžio. Paprastai amorfiniams silicio plėvelės saulės elementams reikia daug mažiau medžiagų, todėl kaina mažėja, sako Biswas. Be to, jie gali būti nusodinti ant plastiko. Tai didelis pliusas.
MIT mokslininkai siekia sukurti plonasluoksnius silicio saulės elementus, kurie būtų pakankamai geri, kad galėtų konkuruoti su įprastais saulės elementais, sako Bermelis. Optimizuodami fotoninių kristalų ir grotelių struktūras, mokslininkai galėtų išspausti didžiausią saulės elementų efektyvumą, padidindami jį iki 13 proc. Tai būtų palyginama su 13–15 procentų kai kurių įprastų saulės elementų efektyvumu.
Saulės elementai šiuo metu toli gražu nėra praktiški. Tyrėjai grotelių gamybai naudoja brangią techniką, vadinamą interferencine litografija. Be to, kintamieji atšvaito sluoksniai yra nusodinami po vieną, o tai užima daug laiko. Tyrėjai turi rasti gamybos techniką, kuri leistų gaminti saulės elementus dideliu mastu ir mažomis sąnaudomis. Pagrindinis klausimas, į kurį reikia atsakyti, yra mastelio keitimas, sako Saylor. Kad būtų pasiektas tikras poveikis, bet koks sprendimas turi būti ekonomiškai efektyvus iki masinės gamybos.
Bermelis sako, kad jo komanda jau svarsto kitus gamybos būdus. Vienas iš perspektyvių variantų yra nanoimprinto litografija, tačiau jie dar to neišbandė. Pasak jo, modeliuojant aiškiai prognozuojamas 35 procentų efektyvumo padidėjimas, tačiau iššūkis yra toks: „Ar galite tai padaryti praktiškai?“ Tai yra tai, dėl ko mes ir dirbame.