211service.com
Opfanger mere lys med en enkelt solcelle
De mest effektive solceller har typisk flere lag af halvledermaterialer, der hver især er indstillet til at omdanne forskellige farver lys til elektricitet. Forskere ved Lawrence Berkeley National Lab har nu lavet en enkelt halvleder, der udfører næsten det samme job. Endnu vigtigere er det, at de fremstillede materialet ved hjælp af en almindelig fremstillingsteknik, hvilket tyder på, at det kunne laves relativt billigt.
Prototype celle: Denne lille solcelle har et halvledermateriale designet til at absorbere mere af solspektret.
Flere forskergrupper udvikler halvledermaterialer, der udnytter mere af energien i sollys, baseret på en idé, der går tilbage til 1960, om at ændre, hvordan halvledermaterialer i solceller interagerer med lys. Men de materialer, der bruges i den forskning, har en tendens til at være meget svære at lave.
Der er meget arbejde tilbage, før Lawrence Berkeley-labmaterialet kunne bruges i en praktisk solcelle, men i teorien kunne det omdanne næsten halvdelen af energien i sollys til elektricitet - tre gange så meget som de fleste enkeltlags (eller enkelt-junction) solceller celler. En sådan solcelle kunne også koste mindre end de lagdelte (eller multi-junction) solceller, der i øjeblikket er nødvendige for at opnå høj effektivitet, da den kun ville kræve ét halvledermateriale.
I et konventionelt halvledermateriale kræver det en vis mængde energi at frigøre en elektron og generere elektricitet. Fotoner, der har mindre energi - f.eks. fotonerne i infrarødt lys - genererer ikke elektricitet. Og hvis en foton har mere end minimum - for eksempel en foton i energisk ultraviolet lys - spildes den ekstra energi som varme.
Det nye halvledermateriale er baseret på galliumarsenid. Normalt kræver dette materiale højenergifotoner for at generere elektricitet. Men forskerne modificerede det, så energien fra mere end én foton bruges til at frigøre en elektron - energi tæller sammen, indtil en elektron er frigivet. Udskiftning af nogle af arsenatomerne i materialet med nitrogenatomer skaber områder, der fungerer som trædesten for elektroner, der har absorberet noget energi fra lavenergifotoner, hvor de kan vente på at modtage energi fra flere fotoner, siger Wladek Walukiewicz , der leder Solar Energy Materials Research Group på Lawrence Berkeley lab, og også ledede projektet.
Det nye materiale omdanner højenergifotoner til elektricitet uden at spilde deres energi som varme, og konverterer også lavenergifotoner til elektricitet - fotoner, der normalt ikke ville blive absorberet af materialet.
En lignende effekt opnås i kommercielle multi-junction solceller, som er lavet ved i det væsentlige at stable tre solceller oven på hinanden, hver optimeret til en forskellig lysfarve. Men at kombinere disse tre solceller er dyrt og komplekst, da hvert lag skal være tæt afstemt med de andre lag.
Prototypen af solcellen er stadig relativt ineffektiv. En del af problemet er, at mange af de elektroner, der har absorberet noget energi fra lavenergifotoner, ikke holder på den energi længe nok til at absorbere energi fra en anden foton. Disse elektroner gør det aldrig ud af materiale, og energien går tabt som varme. Forskerne arbejder sammen med to virksomheder, Rose Street Labs Energy og Sumika Electronic Materials, for at overvinde dette problem. En mulighed er for eksempel at dope materialet med fosforatomer for at ændre deres elektriske egenskaber.
Det vil være udfordrende, siger Andrew Norman, en forsker ved Nationalt laboratorium for vedvarende energi . Norman har også arbejdet på denne type solceller, selvom en er lavet af meget forskellige materialer. Norman siger, at det nye arbejde er interessant, især på grund af de høje spændingsniveauer, som cellen producerer, men han bemærker, at det har vist sig vanskeligt at kommercialisere denne type celler. Man må undre sig over, hvorfor ingen i 50 år har haft succes, siger han.