Lagdelt solcelleteknologi øger effektiviteten, overkommelighed

Fremtiden bliver lysere for solenergi. Forskere fra CU Boulder har skabt en lavpris solcelle med en af ​​de højeste effektkonverteringseffektiviteter til dato, ved at lægge celler i lag og bruge en unik kombination af elementer.

"Vi tog et produkt, der er ansvarlig for en industri på 30 milliarder dollars om året og gjorde det 30% bedre, " sagde Michael McGehee, en professor ved Institut for Kemi- og Biologisk Teknik og medforfatter til et papir, udkommer i morgen kl Videnskab , som beskriver teknologien. "Det er en stor sag."

Forskerne tog en perovskit-solcelle, en krystalstruktur, der er designet til at høste højere energifotoner, og lagde det ovenpå en siliciumsolcelle, som fanger flere fotoner i den infrarøde del af spektret - som består af strålingsenergi, som vi ikke kan se, men vi kan føle som varme. Kombineret, perovskitten hæver en 21 % siliciumsolcelle op til en effektivitet på 27 % - hvilket øger den med en tredjedel.

Årevis, siliciumsolceller har været standarden i solenergiindustrien. Men nuværende siliciumbaserede celler omdanner kun 18% til 21% af solens energi til brugbar elektricitet i gennemsnit, og de max ud på omkring 26,6%.

Det betyder, at det nu koster mere at installere cellerne end at købe dem, sagde McGehee, en fellow i Renewable &Sustainable Energy Institute.

Den gennemsnitlige effektivitet af solpaneler er lavere end den maksimale effektivitet, fordi uanset hvor godt et individ er, lille solcelle er, det vil tabe omkring tre procentpoint, når det anvendes over et stort panel – lidt ligesom et sportshold, der kun er så god som dens gennemsnitlige spiller. Men hvis du kan øge den samlede effektivitet, du behøver ikke installere så mange paneler for at få den samme mængde strøm.

Det, der dramatisk forbedrer effektiviteten, er at sætte endnu en solcelle oven på en eksisterende - og det er præcis, hvad McGehee og hans medforskere gjorde.

En overkommelig hemmelig formel

Det er ikke første gang, forskere har lagdelt solceller for at opnå effektivitet. Konceptet, også kendt som tandem eller multi-junction solceller, blev først introduceret i 1970'erne - og verdensrekorden for solcelleeffektivitet er allerede over 45%. Imidlertid, det kom til en høj pris:$80, 000 pr kvadratmeter, på grund af det faktum, at cellerne blev dyrket et atomlag ad gangen, skabe en stor, enkelt krystal. Sandsynligvis ikke en omkostning, som den gennemsnitlige boligejer eller virksomhed har råd til.

McGehee og hans medforskere er pionererne i en ny retning af lagdelte solceller, bruger perovskites, som koster mere end hundrede gange mindre.

De startede for mindre end 10 år siden med konceptet med at bruge billigere materialer oven på silicium, og opnåede i første omgang kun omkring 13 % effektivitet. Men gennem teknologiske forbedringer har de været i stand til at mere end fordoble det tal.

Deres hemmelige formel involverer en unik tripelhalogenidlegering af klor, brom, og jod.

I solceller, der er et ideelt båndgab, ifølge McGehee. Dette er rummet mellem energiniveauer i en halvleder, hvilke elektroner springer imellem og skaber elektrisk energi.

Brom kan øge dette båndgab, men når det bruges sammen med jod og udsættes for lys, disse elementer bliver ikke altid på plads. Tidligere undersøgelser har forsøgt at bruge klor og jod sammen, men på grund af de forskellige partikelstørrelser af disse elementer, ikke nok klor kunne passe ind i perovskitkrystalstrukturen. Men ved at bruge forskellige mængder klor, brom, og jod, forskerne fandt ud af en måde at krympe krystalstrukturen på, lader mere klor passe ind - stabiliserer og forbedrer cellens effektivitet.

Perovskites er også billige, ikke energikrævende at lave og nem at lave i laboratoriet. Og selv efter 1000 timer – eller næsten 42 dage – med intensiv lys- og varmetest, disse nye solceller viste en minimal ændring i deres oprindelige effektivitet.

Med solenergimarkedet vokser omkring 30% om året, effektivitet, omkostninger og levetid er vigtige overvejelser, som nye teknologier vil blive mainstream for.

McGehee er optimistisk med hensyn til potentialet i denne brede båndgab, lagdelt perovskit solcelle.

Ikke alene har den nu overgået den maksimale effektivitet af en solcelle, der kun er silicium, "Vi tror på, at det kan tage os over 30 % effektivitet, og at det kan være stabilt, " sagde McGehee.