211service.com
Nøglen til bedre solceller: ujævne spejle
Farvesensibiliserede tyndfilmssolceller er billigere at fremstille end konventionelle siliciumceller, men de er stadig relativt ineffektive.
Nanodomes: Et array af kvartskupler 600 nanometer brede og 200 nanometer høje (øverst) presses ind i en tynd titaniumdioxidfilm for at præge huller i filmen (nederst). At fylde hullerne med sølv hjælper med at fange mere lys inde i farvestofbaserede solceller.
Nu har forskere ved Stanford University brugt en specialdesignet metalreflektor til at øge effektiviteten af sensibiliserede solceller med fast elektrolytfarve med så meget som 20 procent. Reflektoren er en tynd sølvfilm med en række ujævnheder i nanoskala. Forskerne bruger filmen til at belægge cellernes bagside; filmen hjælper med at fange mere lys inde i cellerne. Vi får omkring 5 til 20 procent mere absorption afhængigt af farvestoffet, siger Michael McGehee , direktør for Center for Advanced Molecular Photovoltaics i Stanford. McGehee ledede forskningen, som blev offentliggjort online i denne uge i tidsskriftet Avancerede energimaterialer .
Farvesensibiliserede tyndfilmsceller med en lys-til-elektricitetskonverteringseffektivitet på omkring 11 procent fik for nylig deres kommercielle debut. Men de bruger flydende elektrolytter, der er flygtige og kan lække. Celler med faste elektrolytter har kun vist effektiviteter på omkring 5 procent.
De tog den bedste faststoffarvecelle, de kunne, og gjorde den bedre, siger de David Ginger , en kemiprofessor ved University of Washington, af Stanford-forskerne. Endnu bedre, de gjorde det ved hjælp af teknologi og metoder, der potentielt kunne bruges i et produktionsmiljø.
Farvestofbaserede solceller er sammensat af halvledernanokrystaller (typisk titaniumdioxid eller titaniumdioxid), der er belagt med farvestofmolekyler og klemt - sammen med en elektrolyt - mellem glas- eller plastikplader. Farvestoffet absorberer lys og skaber elektroner og positivt ladede huller. Krystallerne overfører elektronerne til den ene elektrode for at producere en elektrisk strøm, mens elektrolytten fører hullerne til den anden elektrode.
Faste elektrolytter er dog ikke så effektive som flydende, og elektronerne og hullerne rekombinerer lettere. For at forhindre det er titaniumlaget meget tyndt - typisk to mikrometer. Men jo tyndere cellerne er, jo hurtigere passerer lyset gennem dem uden at blive absorberet. Forskningsindsatsen for at forbedre effektiviteten af disse celler har typisk fokuseret på at udvikle stærkere farvestoffer og nye typer nanokrystaller. Men McGehee og hans kolleger brugte plasmoniske reflektorer til at forbedre deres celles effektivitet.
Plasmoner er oscillationer af elektroner på en metaloverflade, når de exciteres af lys. Ved at kontrollere overfladens form kan du kontrollere, hvilken type plasmoner der skabes, hvilket igen har indflydelse på, hvordan lyset interagerer med materialet.
Reflektoren lavet på Stanford har bump, der skaber plasmoner, som vender nogle af de indkommende lysstråler 90 grader. Så i stedet for at hoppe af sølvet og gå tilbage ud af cellen, spredes mere lys frem og tilbage inde i cellen, hvilket giver farvestoffet længere tid til at absorbere det.
Forskerne lavede deres enheder ved at belægge glas med en gennemsigtig ledende elektrode, hvorpå de afsatte et lag titanium-nanopartikler. Derefter tog de et kvartsstykke dækket med 600 nanometer brede kupler og pressede det ind i titaniumet og prægede det effektivt med små huller. Til sidst tilføjede de lag af farvestof og sølv.
Dette er første gang, at plasmoniske strukturer er blevet anvendt på faststoffarve-sensibiliserede solceller, med en væsentlig stigning i celleeffektivitet, siger Kylie Catchpole , en forsker ved Australian National University. Catchpole bruger lysfangende plasmonics til at øge effektiviteten af andre typer tyndfilmssolceller.
Der mangler stadig meget arbejde, før teknologien kommer på markedet, siger Martin Grøn , der arbejder med lysfangende solcelleanlæg ved University of New South Wales. Green siger, at farvefølsomme celler har tiltrukket sig enorm interesse fra det akademiske samfund, men de har haft [lidt] kommerciel indflydelse på grund af lav effektivitet og tvivlsom holdbarhed sammenlignet med kommercielle celler. Flydende elektrolytceller er gået ind på markedet, men Green er også skeptisk over for deres udsigter.
McGehee er dog overbevist om, at høj nok effektivitet vil være mulig. Forskerne ser nu på at skabe reflekser med ujævnheder i forskellige størrelser, højder, mellemrum og mønstre. Ved at justere disse faktorer skulle de være i stand til at øge mængden af lys, som cellerne absorberer. De kunne også udforske forskellige farvestoffer. Der ser bestemt ud til at være en klar vej til at løfte effektiviteten op over 20 procent, siger han.