211service.com
Silicium nanokrystaller til supereffektive solceller
En typisk solcelle genererer kun én elektron pr. foton af indkommende sollys. Nogle eksotiske materialer menes at producere flere elektroner per foton, men for første gang er den samme effekt set i silicium. Forskere ved Nationalt laboratorium for vedvarende energi (NREL), i Golden, CO, viste, at siliciumnanokrystaller kan producere to eller tre elektroner pr. foton af højenergi sollys. Effekten, siger de, kan føre til en ny type solceller, der både er billige og mere end dobbelt så effektive som nutidens typiske solcelleanlæg.
Suppet silicium: Et mikrofotografi af en syv nanometer del af krystallinsk silicium, kaldet en nanokrystal eller kvanteprik. Sådanne strukturer kan dramatisk øge effektiviteten af solceller.
Som i tidligere arbejde med andre materialer kommer de ekstra elektroner fra fotoner af blåt og ultraviolet lys, som har meget mere energi end dem fra resten af solspektret, især rødt og infrarødt lys. I de fleste solceller går den ekstra energi i blåt og ultraviolet lys til spilde som varme. Men den lille størrelse af krystaller i nanoskala, også kaldet kvanteprikker, fører til nye kvantemekaniske effekter, der i stedet omdanner denne energi til elektroner.
Ved at generere flere elektroner fra højenergifotoner kan solceller lavet af siliciumnanokrystaller teoretisk konvertere mere end 40 procent af energien i lys til elektrisk strøm, siger Arthur Nozik, seniorforsker ved NREL. I modsætning hertil er nutidens flade tagsolpaneler i bedste fald lige over 20 procent effektive og er teoretisk begrænset til omkring 30 procent effektivitet. Koncentrering af sollys med spejle eller linser kunne hæve dette tal til omkring 40 procent, men den samme tilgang kunne øge effektiviteten af en silicium-nanokrystal solcelle til langt over 60 procent, siger Nozik.
Desuden kan solceller lavet af silicium nanokrystaller vise sig at være billige, hvilket giver dem en betydelig fordel i forhold til andre tilgange til højeffektive solceller. For eksempel har avancerede multijunction-celler vist effektiviteter på mere end 40 procent. Men disse kræver komplicerede fremstillingsprocesser, der kombinerer dyre halvledere, der er optimeret til forskellige dele af solspektret. Siliciumnanokrystaller er derimod relativt nemme at lave, selv sammenlignet med materialet i konventionelle solceller, hvoraf de bedste er lavet af meget store enkeltkrystaller af silicium.
Silicium nanokrystaller har også markante fordele i forhold til de andre nanokrystalmaterialer, der har vist multielektroneffekten. Nogle af disse materialer indeholder giftige elementer såsom bly eller cadmium, og andre er afhængige af elementer såsom indium, der er i begrænset udbud. Men silicium er både sikkert og rigeligt. Det er også godt undersøgt, siger Christiana Honsberg , professor i el- og computerteknik ved University of Delaware, så ingeniører ved, hvordan man arbejder med det til at lave solceller. Faktisk er silicium af mange af de samme grunde det klart mest almindelige materiale i solceller i dag, og det er attraktivt som grundlag for en bredere udbredelse af solceller i fremtiden.
Før NREL-arbejdet havde forskere troet, at siliciumkrystaller, der er små nok til at producere multielektroneffekten, ville være upraktiske som fotovoltaisk materiale. På nanoskala ændres siliciums optiske egenskaber, så det omdanner mindre lys fra den røde ende af spektret til elektroner. Som følge heraf vil enhver gevinst ved at konvertere blåt og ultraviolet lys mere effektivt blive udlignet. Nozik og hans kollegaer fandt ud af, at nanokrystallerne ikke behøvede at være så små, som man tidligere har troet, hvilket afgrænser dette problem.
For at være sikker er NREL-arbejdet kun et første skridt. At lave solceller, der udnytter multielektrongenerering, er en udfordring. Det skyldes, at de ekstra elektroner er meget kortlivede, hvilket gør det svært at udvinde dem fra nanokrystallerne for at generere en elektrisk strøm. Dette har faktisk vist sig så svært, at beviser for effekten er kommet fra indirekte metoder som spektroskopi snarere end fra strøm genereret af en solcelle. Brugen af de indirekte foranstaltninger har fået nogle fremtrædende eksperter til at stille spørgsmålstegn ved, om de ekstra elektroner faktisk produceres, selvom Nozik siger, at effekten er blevet bekræftet ved hjælp af flere teknikker. Nozik og hans kolleger arbejder nu på at lave solceller ud af siliciumnanokrystaller – de udforsker en række nye designs – og han siger, at de for nylig har foretaget direkte målinger, der indikerer, at deres celler frigiver flere elektroner pr. absorberet foton. (Deres resultater er endnu ikke offentliggjort.)
Honsberg er forsigtigt optimistisk og kalder fundet af multiple-elektroneffekten i siliciumnanokrystaller for et gennembrud, men kun ét gennembrud ud af måske tre eller fire nødvendige for at producere billige, supereffektive solceller.