Mikroskopiske solceller kunne se mere sollys

Forskere ved Sandia National Laboratories har krympet siliciumsolceller ned til mikroskalaen, hvilket åbner nye muligheder for forbedret effektivitet.

Skalering af silicium: Disse nedskalerede, sekskantede siliciumsolceller spænder fra 0,25 til en millimeter i diameter. Linjerne, der er synlige på nogle af dem, er elektriske metalkontakter.

Multikrystallinsk silicium, som i øjeblikket er guldstandarden for solcelleeffektivitet, er dyrt og producerer celler, der er tunge og sprøde. Sandias mikroskopiske siliciumsolceller bruger 100 gange mindre materiale, mens de arbejder med samme effektivitet.

Ud over lavere materialeomkostninger betyder den mindre skala af disse celler, at de kan inkorporeres i kompakte optiske systemer for billigere lyssporing og koncentration. Forskere kan endda suspendere dem i blæk, der kan printes på plastik for at lave effektive, fleksible silicium-solmoduler.

I mikrosystemer leder du efter ting, der bliver billigere, yder bedre og får nye funktionaliteter, siger Gregory Nielson, chefforsker på projektet.

Indtil videre har Sandia-forskerne samlet og testet en enkelt mikrosolcelle som et principbevis. Men de er begyndt at teste fungerende solcellemoduler lavet af flere bittesmå celler og udvikler teknikker til at samle dem effektivt.

Sandias celler er mellem 0,25 og en millimeter i diameter. Den største fordel ved at fremstille sådanne små celler ville være lavere materialeomkostninger, da de små celler kan gøres omkring 10 gange tyndere end konventionelle. Normalt skal solceller være 100 mikrometer tykke for at understøtte deres overfladeareal - typisk omkring 15 kvadratcentimeter.

Sandia fremstiller sine celler af silicium, der er blevet behandlet ved hjælp af konventionelle kemiske metoder. Forskere skærer cellerne ud af dette silicium ved hjælp af en kemisk ætsningsteknik, der skaber ubetydeligt affald. De behandler overfladen af ​​waferen for at skabe de elektriske egenskaber, der er nødvendige for en fungerende celle, og toppe den derefter med metalkontakter. Forskere ætser derefter de øverste 10 til 20 mikrometer af waferoverfladen ved hjælp af kemikalier, der kun spiser sig ind i en bestemt del af krystalstrukturen.

De resulterende celler er omkring 20 mikrometer tykke, men har samme effektivitet som konventionelle celler, og omdanner omkring 14,9 procent af sollys til elektrisk energi. Det er også nemmere at lave cellerne i en sekskantet form, hvilket udnytter det tilgængelige areal bedst muligt uden at spilde meget silicium. Materialebesparelserne er en stor ting, siger Nielson.

Silicium og sol: Sandia-forsker Gregory Nielson holder en række mikroskala, multi-krystallinske silicium solceller.

Solceller i mikroskala giver nye muligheder for lyskoncentration og sporing, hvilket yderligere kan øge cellernes effektivitet. Konventionelle sporingssystemer er store og tunge og skal flyttes af motorer. En række mikrosolceller kunne toppes med et mikrolinsearray, der kun behøver at bevæge sig en brøkdel af en millimeter for at spore solen.

De mikroskopiske celler kunne også kombineres med mere effektive linser. I stedet for Fresnel-linser, som er omfangsrige og kun fanger omkring 80 procent af det lys, der rammer dem, kunne mikrocellerne bruge refraktive linser, som fanger 90 procent af det indkommende lys. Det er ikke praktisk at bruge refraktive linser med konventionelle solceller, fordi sådanne linser ville blive for dyre og omfangsrige i den størrelse, der kræves (jo større linsen er, jo længere skal den monteres fra cellens overflade). Men for Sandia-cellerne kunne et refraktivt mikrolinsearray matche hver siliciumenhed med en linse på kun få mikrometer i diameter. Sådanne arrays er allerede kommercielt tilgængelige.

Nielson siger, at udviklere i sidste ende kunne suspendere cellerne i en væske for at lave en blæk, der kunne printes på fleksible substrater belagt med elektriske kontakter for at skabe fleksible solcellemoduler.

For solceller skader fleksibilitet normalt effektiviteten. For eksempel virksomheden Konarka laver fleksible solceller af organiske materialer, men disse fungerer kun med omkring 4 procents effektivitet. Vi tror, ​​vi kan bruge højeffektive materialer til at give den samme fleksibilitet ved at bruge fem gange mindre areal, siger Nielson.

Nielson forventer projektet, som er finansieret gennem det amerikanske energiministerium Program for solteknologi , for at levere moduler til militær brug (for eksempel i energihøstende telte og rygsække) om cirka tre år. Resten af ​​solcellemarkedet har strenge levetidskrav, så det kan tage endnu et par år at udvikle moduler, der er holdbare nok. Det nationale laboratorium vil sandsynligvis licensere teknologien til en virksomhed, når den er mere moden.

skjule