Нови дизайни могат да увеличат слънчевите клетки извън техните граници


Слънцето завива с достатъчно фотони на всеки час, за да посрещне енергийните нужди на целия свят за една година. Въпросът е как да ги преобразуваме ефективно в електричество. Дори при малки лабораторни условия най-добрите слънчеви клетки в света с един кръг – видът, който се намира в повечето слънчеви панели – все още е най-висок при улавянето на 29% от слънчевата енергия. Това ги срамува от твърдата граница от около една трета, която изследователите на слънчева енергия изчисляват преди половин век. Но учените, изучаващи фотоволтаиката – процесът, чрез който слънчевата светлина се превръща в електричество – също отдавна подозират, че тази граница не е толкова твърда, колкото изглеждаше някога.

Таванът на ефективността на соларните клетки, известен като ограничението на Shockley-Queisser, е между 29 и 33 процента, в зависимост от това как го измервате. Той приема клетка с една връзка, което означава, че е направена само с един вид полупроводник и се захранва от пряка слънчева светлина. За да изминат границата, изследователите са се опитали да подреждат няколко вида полупроводници или да използват лещи, за да концентрират светлината, така че клетката да получи взрив стотици пъти по-силен от слънцето. По-рано тази година Националната лаборатория за възобновяема енергия постави световен рекорд, когато използваше слънчева клетка с шест кръга и един сноп 143 пъти по-концентриран от слънчевата светлина, за да постигне невероятна енергийна ефективност от 47,1%.

Но тази технология никога няма да бъде разгърната. Причината, казва Марк Балдо, професор по електротехника и компютърни науки в MIT, е, че тези свръхвисокоефективни многослойни слънчеви клетки са твърде сложни и скъпи за производство на слънчеви панели. За да получите повече слънчева енергия в електрическата мрежа, трябва да разберете как да достигнете границата на Shockley-Queisser със слънчеви клетки, базирани на силиций, които са сравнително лесни и евтини за производство. Още по-добре би било да се намери начин да се повиши границата. И след десетилетие работа, Балдо и колегите му най-накрая са разбрали как.

Както е описано подробно в статия, публикувана миналата седмица Природа, Екипът на Балдо покрива слънчевите клетки в тънък слой тетрацен, органична молекула, която ефективно разделя входящите фотони на две. Този процес е известен като деление на екситон и означава, че слънчевата клетка може да използва фотони от високи енергии от синьозелената част на видимия спектър.

Ето как работи. Силиконовите слънчеви клетки генерират електрически ток, като използват входящи фотони, за да разбиват електрони от силиций в верига. Колко енергия отнема това? Това зависи от атрибута на материала, известен като неговия bandgap. Силиконовата ширина съответства на инфрачервени фотони, които носят по-малко енергия от фотоните във видимата част на електромагнитния спектър. Фотоните извън обхвата на силициевия обхват по същество отиват на отпадъци. Но тук се появява тетраценът: Той разделя синьо-зелените фотони на две „пакети“ енергия, които са еквивалентни на инфрачервен фотон. Така че, вместо всеки инфрачервен фотон, който разбива един електрон, един единствен фотон в синьо-зеления спектър може да избие свободни два електрона. По същество се получават два фотона за цената на един.

Тази нова клетка представлява фундаментално нов подход към добре познатата истина в фотоволтаичните изследвания: Ако искате да преминете границата на Shockley-Queisser, трябва да уловите енергията от по-широк спектър от слънчеви фотони. Тъй като тази клетка не разчита на скъпа купчина материали с различни обхвати, за да разшири обхвата си, тя може в крайна сметка да бъде и по-практична. Балдо казва, че използването на тетрацен може да доведе до теоретично ограничаване на енергийната ефективност до 35 процента – по-високо, отколкото се смяташе за възможно при единични клетки.

Въпреки че добавянето на тетрацен е концептуално просто, прилагането му е по-малко. Причината, казва Балдо, е, че ако поставите тетрацена директно върху силиция, те взаимодействат по такъв начин, че да убие електрическия заряд. Предизвикателството за Балдо и колегите му беше да намерят материал, който може да бъде поставен между двата материала, за да може енергийните пакети да преминат от тетрацена към силикона. Теоретичната литература им дава малко насоки, така че екипът се занимава с дълъг процес на пробване и грешка, за да намери правилния интерфейсен материал. Оказа се, че това е слой хафниев оксинитрид с дебелина само осем атома.

Но тази клетка все още не е надминала всички записи. Ефективността му е около 6% в тестовете, така че трябва да се извърви дълъг път, преди да може да се конкурира със съществуващите силициеви слънчеви клетки, да не говорим за покрив. Но тази работа беше предназначена само като доказателство за концепцията за делене на екситон в слънчева клетка. За да повиши ефективността на клетката по-високо, казва Балдо, ще е необходима инженерна работа, за да се оптимизира нейното делене.

В този смисъл това, което екипът на MIT демонстрира, не е толкова конкурентоспособна технология, а нов подход за преминаване отвъд границите на съществуващите фотоволтаици, казва Джоузеф Бери, старши учен в Националната лаборатория за възобновяема енергия. „Хубавото тук е, че това е принципно различен подход от традиционните фотоволтаици“, казва той. "Това е идея, която е съществувала от дълго време, но не е била преведена на никакви функционални устройства."

Бери и неговите колеги от NREL проучват други начини за повишаване на ефективността на слънчевите клетки, без да се добавят сложността и цената на клетките с множество връзки. Едно от най-обещаващите направления, изследвани от Бери, са перовскитните клетки, които използват синтетични материали, които имат структурни свойства, подобни на естествения минерал Перовскит. Първите перовскитни слънчеви клетки бяха произведени само преди десетилетие, но оттогава те са свидетели на най-бързото повишаване на ефективността на всеки тип соларни клетки досега.

Перовскитните клетки имат редица предимства пред традиционните силициеви слънчеви клетки, казва Бери, по-специално тяхната толерантност към материалните дефекти. Само няколко нежелани частици на силиконова слънчева клетка могат да го направят безполезен, но перовскитните материали все още функционират добре, дори и да не са перфектни. Те също така обработват фотонната енергия по-ефективно от силиция. Всъщност, една от основните причини, поради които силицийът е доминирал в технологията на соларните клетки, не е в това, че той е най-добрият материал за работата, а просто защото учените знаят толкова много за него поради широкото му използване в цифровите технологии.

Досега нито една от тези слънчеви клетки от следващо поколение не е намерила път в търговските продукти. Почти всички работещи слънчеви панели използват традиционните еднослойни силициеви клетки, за които е доказано, че издържат на елементите в продължение на десетилетия. Получаването на слънчеви панели на базата на перовскит ще изисква демонстриране на тяхната стабилност и може да продължи 20 или повече години. Бери твърди, че редица компании вече са разгърнали дребномащабни перовски панели, които се надяват да проправят пътя за по-широко приемане по пътя.

Поглеждайки към бъдещето, Бери казва, че е възможно технологията на екситоновото делене, която се разработва в MIT, да бъде комбинирана с перовскитните слънчеви клетки, за да се увеличи тяхната ефективност. "Това не е или / или предложение", казва Бери, но първото екситоново делене трябва да докаже, че е достатъчно ефективно за приложения в реалния свят. В крайна сметка, получаването на повече слънчева светлина в мрежата вероятно ще включва набор от слънчеви технологии, всяка със своите предимства.


Още страхотни истории