3-D system baseret på optisk fiber kunne give nye muligheder for solcelleanlæg

Konvertering af sollys til elektricitet betyder måske ikke længere store paneler af fotovoltaiske celler oven på flade overflader som tage.

Brug af zinkoxid-nanostrukturer dyrket på optiske fibre og belagt med farvefølsomme solcellematerialer, forskere ved Georgia Institute of Technology har udviklet en ny type tredimensionelt solcelleanlæg. Fremgangsmåden kunne gøre det muligt at skjule solcelleanlæg og placere dem væk fra traditionelle steder såsom hustage.

"Ved hjælp af denne teknologi, vi kan lave fotovoltaiske generatorer, der er foldbare, skjult og mobil, " sagde Zhong Lin Wang, en Regents-professor ved Georgia Tech School of Materials Science and Engineering. "Optisk fiber kunne lede sollys ind i en bygnings vægge, hvor nanostrukturerne ville omdanne det til elektricitet. Dette er i sandhed en tredimensionel solcelle."

Detaljer om forskningen blev offentliggjort i den tidlige visning af tidsskriftet Angewandte Chemie International den 22. oktober. Arbejdet blev sponsoreret af Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), KAUST Global Research Partnership og National Science Foundation.

Farve-sensibiliserede solceller bruger et fotokemisk system til at generere elektricitet. De er billige at fremstille, fleksibel og mekanisk robust, men deres afvejning for lavere omkostninger er konverteringseffektiviteten lavere end for siliciumbaserede celler. Men at bruge nanostrukturarrays til at øge det tilgængelige overfladeareal til at konvertere lys kunne hjælpe med at reducere effektivitetsulempen, samtidig med at det giver arkitekter og designere nye muligheder for at inkorporere PV i bygninger, køretøjer og endda militært udstyr.

Fremstillingen af ​​det nye Georgia Tech PV-system begynder med optisk fiber af den type, som telekommunikationsindustrien bruger til at transportere data. Først, forskerne fjerner beklædningslaget, påfør derefter en ledende belægning på overfladen af ​​fiberen, før overfladen podes med zinkoxid. Næste, de bruger etablerede løsningsbaserede teknikker til at dyrke afstemte zinkoxidnanotråde omkring fiberen, ligesom børsterne på en flaskebørste. Nanotråde belægges derefter med de farvestoffølsomme materialer, der omdanner lys til elektricitet.

Sollys, der kommer ind i den optiske fiber, passerer ind i nanotrådene, hvor det interagerer med farvestofmolekylerne for at producere elektrisk strøm. En flydende elektrolyt mellem nanotrådene opsamler de elektriske ladninger. Resultatet er et hybridt nanotråd/optisk fibersystem, der kan være op til seks gange så effektivt som plane zinkoxidceller med samme overfladeareal.

"I hver refleksion i fiberen, lyset har mulighed for at interagere med de nanostrukturer, der er belagt med farvestofmolekylerne, " Wang forklarede. "Du har flere lysreflektioner i fiberen, og flere refleksioner inden for nanostrukturerne. Disse interaktioner øger sandsynligheden for, at lyset vil interagere med farvestofmolekylerne, og det øger effektiviteten. "

Wang og hans forskerhold har nået en effektivitet på 3,3 procent og håber at nå 7 til 8 procent efter overflademodifikation. Mens lavere end silicium solceller, denne effektivitet ville være nyttig til praktisk energihøst. Hvis de kan det, de potentielt lavere omkostninger ved deres tilgang kunne gøre det attraktivt for mange applikationer.

Ved at give et større område til at samle lys, Teknikken ville maksimere mængden af ​​energi produceret fra stærkt sollys, samt generere respektable effektniveauer selv i svagt lys. Mængden af ​​lys, der kommer ind i den optiske fiber, kan øges ved at bruge linser til at fokusere det indkommende lys, og den fiberbaserede solcelle har en meget høj mætningsintensitet, sagde Wang.

Wang mener, at denne nye struktur vil tilbyde arkitekter og produktdesignere et alternativt PV -format til inkorporering i andre applikationer.

"Dette vil virkelig give nogle nye muligheder for solcelleanlæg, "Wang sagde." Vi kunne eliminere de æstetiske problemer med PV -arrays om bygning. Vi kan også forestille os PV-systemer til at levere energi til parkerede køretøjer, og til opladning af mobilt militærudstyr, hvor traditionelle arrays ikke er praktiske, eller du ikke ønsker at bruge dem."

Wang og hans forskerhold, som omfatter Benjamin Weintraub og Yaguang Wei, har produceret generatorer på optisk fiber op til 20 centimeters længde. "Jo længere jo bedre, " sagde Wang, "fordi lyset kan bevæge sig længere langs fiberen, jo flere hop vil den lave, og mere vil den blive absorberet."

Traditionel optisk kvartsfiber er hidtil blevet brugt, men Wang vil gerne bruge billigere polymerfiber for at reducere omkostningerne. Han overvejer også andre forbedringer, såsom en bedre metode til opsamling af ladningerne og en overfladebelægning af titaniumoxid, der yderligere kan øge effektiviteten.

Selvom det kunne bruges til store solcelleanlæg, Wang forventer ikke, at hans solceller vil erstatte siliciumenheder på det nærmeste. Men han tror på, at de vil udvide de potentielle anvendelser for solcelleenergi.

"Dette er en anderledes måde at samle strøm fra solen på, " sagde Wang. "For at opfylde vores energibehov, vi har brug for alle de tilgange, vi kan få. "

Kilde:Georgia Institute of Technology