At bryde barrierer inden for solenergi

Stop et øjeblik og forestil dig et effektivt motorvejssystem. Ingen grund til at jockey for position, ingen choke-point fusionerer fra tre baner til en, ingen lang tomgang ved dårligt timede trafiklys, ingen rullende vejspærringer, da bilisten foran dig forbereder sig på et sving, der stadig er fem miles væk. Uanset antallet af biler, du ville vide, hvordan glat sejlads ser ud og føles.

Det er det liv, faststofforskere ønsker for elektroner, når de arbejder på at fange solens ekstraordinære energi og omdanne den til elektricitet.

Hvis det var en nem løsning – alt det med at fange og konvertere – kunne videnskabsmanden Brian McCandless bruge mere tid på sine sækkepiber.

Men han og mange andre forskere har i årtier stukket af med udfordringen med at forbedre elektrontrafikken i solceller. McCandless, fra University of Delaware's Institute of Energy Conversion, har især fokuseret på konverteringseffektiviteten og omkostningerne ved tyndfilm solcelleanlæg, som tilbyder konkurrencedygtige priser for solenergiproduktion.

Nu, McCandless og hans samarbejdspartnere på National Renewable Energy Lab i Golden, Colorado, har gjort betydelige fremskridt, med McCandless' UD-patenterede opfindelse, der har et Star Trek-lignende navn - et Vapor Transport Deposition System - og NREL's større verifikation af dens evner.

Med det, de har demonstreret en ny måde at justere egenskaberne af tynde film på, der giver øget effektivitet og reducerede omkostninger - åbner døren til endnu større fremskridt.

Deres resultater, lavet med støtte fra det amerikanske energiministerium, blev udgivet i Nature's Videnskabelige rapporter .

Tyndfilmsteknologi repræsenterer en lille, men voksende andel af solenergimarkedet sammenlignet med de meget mere almindelige siliciumwafers, men tynde film har mange fordele i forhold til disse wafers. Tynde film giver mulighed for hurtig produktion af mere fleksible, lette solpaneler, udvide mulighederne for design og anvendelse.

Højvandsmærket for tyndfilmseffektivitet blev i 2016 sat til 22,1 procent, hvilket betyder cirka, at meget af det opfangede sollys omdannes direkte til elektricitet.

Nu, McCandless sagde, at han overvejede ord, han ikke bruger let – et længe ventet "teknologisk gennembrud".

Men først, en kort opdatering om, hvordan vi fanger og behandler solens energi, som leverer nok råvarer på en time til at drive vores planet i et helt år.

Den mest almindelige solfangende metode er de solpaneler, du ser på hustage eller vinklet mod himlen i andre omgivelser. Specielt konstruerede celler på disse paneler - typisk lavet af silicium - fanger de energifyldte fotoner, der overdådigt overvældes os i hver strøm af sollys. På en solskinsdag, der er omkring 1, 000 watt sollys rammer hver kvadratmeter af jordens overflade.

Når disse solfotoner rammer fotovoltaiske materialer, de omdannes til elektroner og huller. Når den styres den rigtige vej inde i materialet, de kan producere elektrisk spænding og en strøm af elektricitet, resulterer i magt.

Tyndfilmsmaterialer er sammensat af millioner af krystaller pr. kvadrattomme, lagdelt oven på grundmaterialer kaldet substrater ved hjælp af både varme og tryk og "vokset" - eller bygget op - i enhedsstabler kaldet "solceller." Tricket er at justere egenskaben for hvert krystallinsk korn, efterhånden som denne vækst opstår.

McCandless 'patenterede nye værktøj, damptransportaflejringssystemet, bruges til at foretage de fine justeringer under filmvækst, inkorporerer små mængder af yderligere elementer i tyndfilmens krystaller ved temperaturer, der tillader kontrol af egenskaberne på måder, der forbedrer solcellens ydeevne.

Når de inkorporerede atomer er aktive, de producerer det, der er kendt som "doping, " som hæver ledningsevnen og øger den spænding, der kan produceres af cellen. Kombineret med andre processer efter vækst, effektiv strøm af elektroner til elektroden fremskyndes - den måde, du kan forbedre motorvejstrafikstrømmen ved at åbne en ny vognbane eller tilføje nye adgangspunkter. At finde den rigtige blanding af doping og de andre processer - en der ikke skaber andre problemer eller påvirker disse elektroners udholdenhed - er kritisk.

McCandless' forskning brugte et af de mest fremtrædende tyndfilmsmaterialer, cadmiumtellurid (CdTe), og testede tre dopingscenarier og behandlinger, ved hjælp af antimon (Sb), arsen (As) og fosfor (P). Hver førte til unikke sæt egenskaber og alle resulterede i betydeligt højere dopingniveauer, med arsen og antimon, der giver det højeste.

"Cadmiumtellurid absorberer virkelig sollys, rigtig godt, " sagde McCandless. "Mange egenskaber gør det fantastisk. Men vi fik kun omkring 0,8 volt ud af enhver celle. Med sine høje absorptionsegenskaber og optimale båndgab, vi burde være i stand til at generere 1,1 volt."

Der er termodynamiske begrænsninger ved dyrkning af disse film, men det problem blev løst i den nye proces, også.

"Hvis du tager et cadmium tellurid gitter, tag et af tellurerne ud og skub et af disse elementer ind, det mangler nu en elektron, " sagde McCandless. "På grund af termodynamikken, den vil ikke blive i den tilstand. Men hvis du fryser gitteret ved at dyrke det hurtigt nok og afkøle det hurtigt nok, du får den ekstra manglende elektron - det hul, vi leder efter - og du har højere ledningsevne."

Elektronens motorvejssystem er blevet opgraderet, med andre ord.

Indtil nu, høj doping af cadmium tellurid tynde film havde unddraget sig videnskabsmænd og ingeniører. Nu bliver spændinger over 1 volt og virkningsgrader på 25 procent mulige. Den næste del af puslespillet er at øge elektronstrømmen ved at skræddersy andre processer.

"Vi demonstrerede, at vi kan gøre dopingen kontrollerbart, " sagde han. "Nu ønsker vi at reducere den nødvendige mængde indarbejdet ved at bruge færre af disse elementer og stadig få den samme fordel."

McCandless og IEC har udarbejdet kemien, og NREL har udarbejdet, hvordan filmene kan integreres i en komplet solcelle med højere ydeevne.

"De validerede de målinger, vi lavede på film og replikerede teknikken i deres laboratorium, " han sagde.

Det unikke værktøj - damptransportaflejringssystemet - blev udviklet med hjælp fra IEC's Wayne Buchanan, Shannon Fields, Greg Hanket, Erten Eser og Bob Birkmire.

Øget effektivitet og spænding vil have vidunderlige kaskadeeffekter, herunder reduceret afhængighed af fossile brændstoffer og udvidet adgang til vedvarende energi.

"Det viser folk, der er dygtige på området, at der er en vej frem for spændingen, "Sagde McCandless.