Ændring af typen af ​​siliciumætsning reducerer omkostningerne til solenergi med mere end 10 procent

I slutningen af ​​en af ​​de varmeste somre nogensinde, mens kampe om, hvordan man magter hjem raser, vedvarende solenergi fortsætter med at præsentere en mulighed, der ikke i væsentlig grad tilføjer drivhusgasser til miljøet i bytte for belysning og afkøling af vores hjem. Og det har netop fået endnu en fordel gennem materialevidenskab.

I en ny undersøgelse offentliggjort i Energier , forskere har fundet en måde at reducere produktionsomkostningerne for solceller med mere end 10 procent.

"Forbedring af omkostningerne pr. strømenhed på celleniveau kan have massive effekter nedstrøms, " siger Joshua Pearce, professor i materialevidenskab og elektroteknik ved Michigan Tech. Allerede, han siger, omkostningerne ved solenergi er sammenlignelige med konventionelle former for elektricitet og er den hurtigst voksende energikilde. Dette fald på 10 procent burde skubbe solenergi til forreste endnu hurtigere.

Skift af det anvendte silicium i solceller til omkostninger til vedvarende energidråber

Silicium er det standard lysfangende materiale, der bruges i solcelleceller (PV). Det kommer i to hovedformer:perfekte krystaller, der koster mere og producerer højere effektivitet og multikrystallinsk silicium, der koster mindre, men giver lavere effektivitet. Med almindelig ætsning for at reducere reflekteret lys mister begge typer stadig noget lys, hvilket er det, der giver de fleste solpaneler deres blå farve.

Forskere vidste allerede, at nanoteksturerende silicium med tør ætsning gør sort silicium (sort-Si), der er mere effektivt til at fange lys end standard ætsningsbehandlinger. Den har ingen farve, fordi den tørre ætseproces tager en normalt flad siliciumoverflade og "ætser den ind i en skov af nanoskala nåle, " siger Pearce. "De nåle griber lyset og lader det ikke slippe væk. Det er som at se ind i øjnene på Darth Vader."

Normalt ville et så stort overfladeareal med mange overfladedefekter skade den elektriske ydeevne, men forskere ved Aalto-universitetet fandt ud af, at når silicium også behandles med en passende atomlagaflejring (ALD) belægning, virkningerne af overfladedefekter afbødes.

Typisk tankegang har været, at prisen på sort-Si-celler fra tørætsning og ALD er for dyre til praktisk brug, især i en branche, hvor Pearce siger, "Margener er ekstremt stramme. Alle forsøger at presse omkostningerne så lave som muligt."

Imidlertid, resultaterne af deres undersøgelse chokerede selv Pearce. Mens forskere fandt ud af, at produktionen af ​​individuelle sort-Si passive emitter-bagceller (PERC) var mellem 15,8 og 25,1 procent dyrere end at lave konventionelle celler, de fandt også ud af, at effektivitetsgevinsterne og evnen til at gå til det billigere multikrystallinske silicium-udgangsmateriale langt opvejede disse ekstra omkostninger:Samlet faldt prisen pr. strømenhed med 10,8 procent.

Fremtiden for vedvarende energi og solenergiproduktion gennem materialevidenskab

Sort er ikke kun bedre end blå, når det kommer til solpaneler. Forbedringerne kan begynde at slå vedvarende energis største energikonkurrent på klimaændringsarenaen.

"For de mennesker, der tror, ​​at kulteknologi vil være i stand til at konkurrere med solenergi, de burde vide, at omkostningerne til solenergi stadig falder. De fleste kulselskaber er allerede, eller tæt på, konkurs nu, " siger Pearce. "Der er ingen måde, kul vil være i stand til at konkurrere med solenergi i fremtiden."

Han tilføjer, "Denne undersøgelse peger på, hvor fremtiden vil gå inden for PV-fremstilling, og hvad lande måske ønsker at gøre for at give sig selv en konkurrencefordel."

Samarbejde på tværs af Atlanten for solenergieffektivitet

Pearce afsluttede denne undersøgelse, mens han var på sabbatår som Fulbright-præsident ved Aalto Universitet i Finland. Han arbejdede med Hele Savins Electron Physics Group og havde adgang til deres data om disse processer. Forskere var også i stand til at få oplysninger om produktionsomkostninger fra virksomheder, som ikke er offentlig, men fik lov til at bruge til denne undersøgelse, sammen med udgivet litteratur om solceller.

Mens spotprisen for solceller kan ændre sig dag for dag - eller endda efter time - holder resultaterne stadig. "Det er et fald på 10 procent mellem celletyper, uanset hvad antallet er den dag, " siger han. Dette skyldes, at sammenligningerne blev foretaget på relative omkostninger, ikke absolutte omkostninger. Det er også derfor, at vilkårligt svingende tariffer ikke blev indregnet i beregningerne.

Hvad er det næste for solenergi og vedvarende energi

Pearce siger, at mens produktionsprocessen stadig kan optimeres til at trække nogle flere procentpoints effektivitet ud, det næste trin for denne undersøgelse er at blive brugt af politiske beslutningstagere til at fremskynde PV-fremstilling. For et land som Kina, som allerede dominerer den globale PV-produktion, "at lave denne relativt lille ændring er ret trivielt." Den Europæiske Union, som i øjeblikket gør meget ud af produktionsudstyret, bør også "se nøje på at opskalere dyb reaktiv ionætsning og ALD-værktøjer for at imødekomme behovene på det hurtigt voksende PV-marked". Han håber, at lande som USA, som plejede at dominere solfeltet, vil bruge disse data på et politisk niveau til at springe fra internationale producenter, og investere i at producere de nye maskiner til at fremstille disse typer solceller.

"Jeg ved ikke, hvilken teknologi der ender med at blive den, der vil dominere solfeltet, " han sagde, "Undersøgelsen viser imidlertid den klare økonomiske drivkraft til at bevæge sig i retning af tørætset sort silicium PERC, som ikke var der før."

Denne undersøgelse blev udført med Chiara Modanese, Hannu Laine, Toni Pasanen og Hele Savin fra Aalto Universitet i Finland.