Účinné tenkovrstvé solární články

Výzkumníci z MIT odhalili nový typ křemíkového solárního článku, který by mohl být mnohem účinnější a levnější než v současnosti používané solární články. Profesor materiálové vědy a inženýrství Lionel kimerling a jeho kolegové prezentovali výsledky prvního prototypu zařízení na nedávném setkání Materials Research Society v Bostonu.

Zachycovač světla: Snímek z transmisní elektronové mikroskopie (TEM) ukazuje zadní povrch křemíkového solárního článku o tloušťce pět mikrometrů. Střídavé vrstvy křemíku a oxidu křemičitého tvoří vynikající světelný reflektor. Hřebeny a žlábky posílají odražené světlo do křemíku pod nízkým úhlem, který jej udrží uvězněný uvnitř křemíku po dlouhou dobu, čímž se zvyšuje účinnost článku.

Design kombinuje vysoce účinný reflektor na zadní straně solárního článku s antireflexní vrstvou na přední straně. To pomáhá zachytit červené a blízké infračervené světlo, které lze použít k výrobě elektřiny, v křemíku. Výzkumný tým licencuje podobnou technologii jako StarSolar , startup v Cambridge, MA.

Vědci aplikovali své schéma zachycování světla na tenké křemíkové články, které jsou silné asi pět mikrometrů. Jejich prototyp solárního článku je o 15 procent účinnější při přeměně světla na elektřinu než komerční tenkovrstvé solární články. Vedoucí projektu Petr Bermel , který je technologickým ředitelem StarSolar, říká, že sofistikované počítačové simulace naznačují, že je možné dosáhnout mnohem většího zvýšení efektivity.

Tenkovrstvé křemíkové solární články by mohly být levnější než konvenční zařízení, protože používají mnohem méně materiálu. Konvenční solární články používají křemíkové destičky, které jsou tlusté přes 100 mikrometrů, zatímco tenkovrstvá zařízení mají tloušťku několika mikrometrů. Ale tenkovrstvá zařízení trpí nižší účinností. Je to hlavně kvůli červeným a blízkým infračerveným fotonům, které nezůstanou uvězněny uvnitř tenkého křemíku dostatečně dlouho, aby se absorbovaly.

Dnešní solární články jsou podloženy kovovou vrstvou, obvykle hliníkovou, která odráží světlo. Toto schéma ale nefunguje příliš dobře a ze světla uvnitř křemíkového solárního článku se ztrácí třicet procent pokaždé, když se odrazí od kovu.

Namísto použití kovového podkladu navrhli výzkumníci z MIT zadní povrch křemíkového solárního článku, aby byl účinný při odrážení a zachycování světla. Nejprve vyleptají řadu hřebenů a žlabů, kterým se říká mříž. Kromě toho ukládají fotonický krystal – periodickou strukturu složenou z několika střídajících se vrstev křemíku a oxidu křemičitého.

Fotonický krystal odráží světlo, zatímco mřížka posílá toto světlo zpět do křemíku pod malým úhlem. To udržuje světlo poskakující uvnitř a zabraňuje jeho úniku. Čím déle světlo zůstane uvnitř, tím je pravděpodobnější, že bude absorbováno a přeměněno na elektřinu.

Tato práce demonstruje důležitost zlepšování výkonu tenkovrstvých technologií, říká Stephen Saylor, CEO společnosti SiOnyx v Beverly, MA. SiOnyx zaujímá odlišný přístup ke zvýšení absorpce červeného a infračerveného světla v tenkých křemíkových zařízeních. Černý silikonový materiál společnosti má povrch s drsností v nanoměřítku, který mu pomáhá absorbovat veškeré viditelné a infračervené světlo. Potenciál materiálu pro solární články zatím nebyl prokázán.

Mezitím v Amesově laboratoři v Ames, IA, fyzik Rana Biswasová a jeho kolegové používají fotonické krystaly k zefektivnění amorfních křemíkových solárních článků. Jejich fotonický krystal se skládá z mřížky drobných křemíkových válečků uvnitř vrstvy oxidu india a cínu. Mohlo by to zvýšit účinnost solárních článků maximálně o 15 procent. Ale jejich amorfní křemíkové solární články mají tloušťku pouze 0,5 mikrometru, což je desetina velikosti zařízení MIT. Obecně platí, že solární články s amorfním křemíkovým filmem potřebují mnohem méně materiálu, takže náklady klesají, říká Biswas. Navíc je lze nanášet na plasty. To je velké plus.

Vědci z MIT se zaměřují na výrobu tenkovrstvých křemíkových solárních článků, které jsou dostatečně dobré, aby konkurovaly konvenčním solárním článkům, říká Bermel. Optimalizací struktur fotonických krystalů a mřížek mohli vědci vymáčknout ze solárních článků maximální účinnost a zvýšit ji na 13 procent. To by bylo srovnatelné s 13 až 15 procenty účinnosti některých konvenčních solárních článků.

Solární články nejsou v současnosti ani zdaleka praktické. Vědci používají k výrobě mřížky nákladnou techniku ​​zvanou interferenční litografie. Kromě toho se střídající se vrstvy v reflektoru ukládají jedna po druhé, což je časově náročné. Výzkumníci potřebují najít výrobní techniku, která jim umožní vyrábět solární články ve velkém měřítku a za nízkou cenu. Poslední otázkou, která musí být zodpovězena, je škálovatelnost, říká Saylor. Aby každé řešení mělo skutečný dopad, musí se nákladově efektivně rozšířit do sériové výroby.

Bermel říká, že jeho tým už zvažuje jiné výrobní metody. Jednou slibnou možností je nanoimprintová litografie, ale ještě to nezkoušeli. 35procentní nárůst účinnosti je v simulacích jasně předpovídán, říká, ale výzvou je: ‚Dokážete to udělat prakticky?‘ To je to, na čem pracujeme.

skrýt