'Lysrør' øger organisk solenergieffektivitet

Forskere i North Carolina har udviklet en måde at mere end fordoble ydeevnen af ​​organiske solceller ved at tilføje et lag opretstående optiske fibre, der fungerer som sollysfælder.

Fiberskov: Dette prototype solpanel er dækket med optiske fibre. Fotoner hopper rundt inde i fibrene, før de absorberes, og dette fordobler panelets effektivitet sammenlignet med almindelige organiske celler.

David Carroll , professor i fysik ved Wake Forest University, ledede udviklingen af ​​en prototype solcelle, der inkorporerede fibrene. Han er chefforsker ved et spinoff-firma ved navn FiberCell der udvikler en rulle-til-rulle-fremstillingsproces til at producere cellerne. Vi er på nippet til at have arbejdende demonstranter, der ville overbevise nogen om at gå i produktion med dette, sagde Carroll .

De bedste organiske solceller i dag er næsten 8 procent effektive, selvom der arbejdes på at udvikle organisk kemi, der ville skubbe effektiviteten af ​​sådanne celler til over 10 procent. Men Carroll siger, at forbedret kemi alene ikke vil være nok til at indhente siliciumcellernes ydeevne. Svaret ligger ikke i kemi - det ligger i selve cellens arkitektur, siger han. Carroll tilføjer, at dollar-per-watt-omkostningerne ved fremstilling af fiberbaserede organiske celler bør være omtrent de samme omkostninger som for flade organiske celler. Men de kan produceres på en fabrik, der koster en tiendedel af et siliciumstøberi, siger han. Dette ville gøre dem meget billigere at producere end siliciumceller.

Problemet med standard flade celler, uanset om de er lavet af et organisk eller uorganisk materiale, er, at noget sollys går tabt gennem refleksion. For at reducere denne effekt påfører cellefremstillere antireflekterende belægninger eller ætser cellens overflade for at øge fotonabsorptionen. Carrolls team har taget en mere dramatisk tilgang ved at stemple optiske fibre på et polymersubstrat, der danner fundamentet for cellen.

Fibrene, som Carroll omtaler som lette rør, stikker ud fra overfladen som grove skægstubbe. De er omgivet af tynde organiske solceller påført ved hjælp af en dip-coating-proces, og et lysabsorberende farvestof eller polymer sprøjtes også på cellen. Lys kan trænge ind i spidsen af ​​en fiber i enhver vinkel. Fotoner hopper derefter rundt inde i fiberen, indtil de absorberes af den omgivende organiske celle.

Forskerne testede en glasfibercelle i laboratoriet og fandt ud af, at fiberen øgede lysabsorptionen med omkring halvdelen. Carroll siger, at cellerne også kan producere dobbelt så mange watt-timer i løbet af en dag sammenlignet med flade paneler, fordi de kan modtage lys fra forskellige vinkler. Det er det samme som at tage en flad enhed og pege den direkte mod solen hele dagen lang, siger han.

Forskere ved Georgia Tech eksperimenterer med lignende fiberbaserede organiske solceller. Zhong Lin Wang , professor i materialevidenskab og ingeniørvidenskab ved universitetet, siger, at tilgangen har store fordele i forhold til konventionelle fladcellede designs. Hans laboratorium har udviklet en hybridcelle bestående af optiske fibre og en nanowire fuzz lavet af zinkoxid, der dyrkes på ydervæggene af fibrene. Nanotrådene, behandlet med lysabsorberende farvestoffer, er beregnet til at give et større overfladeareal til at fange sollys. Wang siger, at denne tilgang øger effektiviteten med en faktor på seks, selvom hans laboratorium endnu ikke har gået ud over en enkelt fiberstreng. Vi arbejder stadig på at integrere flere fibre [på en større overflade], siger han.

Carroll startede sin forskning tilbage i 2004, hvilket gav Wake University et forspring på vejen til kommercialisering. De fleste enheder derude nu er på individuelle fibre, siger han. Carroll siger også, at der ikke er mangel på rulle-til-rulle-behandlingsteknikker på markedet, der kan gøre substrater dækket med optiske fibre. Vi vil låne fra dem; det er ikke svært at gøre, siger han. Følsomhed over for filmtykkelse og belægningskvalitet er meget mindre, end vi havde forventet, hvilket betyder, at fremstillingsruterne er meget tættere, end vi først havde forventet.

FiberCell taler i øjeblikket med investorer og sigter mod at producere sine fiberbaserede organiske celler til tagsten og andre produkter, der ville drage fordel af evnen til at acceptere lys fra forskellige vinkler. Hvis jeg får dette til at yde tæt på sit maksimum, så har jeg en enhed teoretisk skulle være i stand til at overgå 15 procent effektivitet, nærmer sig 20 procent, siger Carroll. Dette ville gøre organisk fotovoltaisk teknologi konkurrencedygtig med nutidens top siliciumpaneler.

John Paul Morgan , en optisk ingeniør og teknologichef for det koncentrerede solcelle-solcellefirma Morgan Solar, siger, at FiberCell-tilgangen bliver nødt til at konkurrere med andre teknikker designet til at øge panelets overfladeareal og fange mere lys. At dyrke en skov af tæt grupperede nanotråde oven på et substrat har for eksempel vist sig at forbedre effektiviteten af ​​organiske celler.

Optiske fibre er en interessant tilgang, men ligesom andre tilgange kommer det ned til udfordringerne ved fremstilling, sagde Morgan. Alle nye celleteknologier står over for problemer med fugt, elektriske forbindelser, slitage. Hvis de kan overvinde disse, så kunne dette være en meget levedygtig idé. Jeg er spændt på at se, hvad der kommer næste gang.

skjule