Mysterium om solcelledefekt løst efter årtiers global indsats

Et team af forskere ved University of Manchester har løst en vigtig fejl i solpaneler efter 40 års forskning rundt om i verden.

Solpaneler er blandt de mest tilgængelige system til at generere energi gennem vedvarende kilder på grund af deres relative omkostninger og forbrugernes tilgængelighed. Imidlertid, størstedelen af ​​solceller opnår kun 20 procent effektivitet - for hver kW ækvivalent sollys, omkring 200W elektrisk strøm kan genereres.

Nu har et internationalt team af forskere løst et centralt fundamentalt spørgsmål om materialefejl, som begrænser og forringer solcellernes effektivitet. Problemet har været kendt og undersøgt i over 40 år, med over 270 forskningsartikler tilskrevet problemet uden løsning.

Den nye forskning viser den første observation af en tidligere ukendt materialefejl, der begrænser siliciumsolcellens effektivitet.

Prof Tony Peaker, der koordinerede forskningen nu offentliggjort i Journal of Applied Physics sagde:"På grund af den miljømæssige og økonomiske indvirkning, solpanel 'effektivitetsforringelse' har været genstand for stor videnskabelig og ingeniørmæssig interesse i de sidste fire årtier. Imidlertid, på trods af nogle af de bedste sind i branchen, der arbejder på det, problemet har standhaftigt modstået løsningen indtil nu. "

"I løbet af de første driftstimer, efter installation, et solpanels effektivitet falder fra 20 procent til omkring 18 procent. Et absolut fald på 2 procent i effektivitet virker måske ikke som en stor ting, men når du tænker på, at disse solpaneler nu er ansvarlige for at levere en stor og eksponentielt voksende brøkdel af verdens samlede energibehov, det er et betydeligt tab af elproduktionskapacitet. "

Energiomkostningerne ved denne mangel på tværs af verdens installerede solkapacitet måler i 10'erne gigawatt, det svarer til mere energi, end der produceres af Storbritanniens tilsammen 15 atomkraftværker. Manglen på solenergi skal derfor dækkes af andre mindre bæredygtige energikilder såsom afbrænding af fossile brændstoffer.

Den tværfaglige eksperimentelle og teoretiske tilgang anvendt af forskerne identificerede mekanismen, der er ansvarlig for lysinduceret nedbrydning (LID). Ved at kombinere en specialiseret elektrisk og optisk teknik, kendt som "transient spektroskopi på dybt niveau" (DLTS), teamet har afdækket eksistensen af ​​en materialefejl, der i første omgang ligger i dvale inden for siliciumbrug til fremstilling af cellerne.

Den elektroniske ladning inden for hovedparten af ​​siliciumsolcellen transformeres under sollys, del af sin energiproducerende proces. Holdet fandt ud af, at denne transformation involverer en meget effektiv "fælde", der forhindrer strømmen af ​​fotogenererede ladningsbærere (elektroner).

Dr. Iain Crowe sagde:"Denne strøm af elektroner er det, der bestemmer størrelsen af ​​den elektriske strøm, som en solcelle kan levere til et kredsløb, alt, der hindrer det, reducerer effektivt solcelleeffektiviteten og mængden af ​​elektrisk strøm, der kan genereres for et givet niveau af sollys. Vi har bevist, at defekten findes, det er nu en teknisk løsning, der er nødvendig. "

Industristandardteknikken, der bruges til at bestemme kvaliteten af ​​siliciummaterialet, måler ladningsbærernes levetid, som er længere i materiale af høj kvalitet med færre "fælder". Forskerne i Manchester ledet af prof. Matthew Halsall fandt ud af, at deres observationer var stærkt korreleret med denne ladningsbærers levetid, som blev reduceret betydeligt efter transformation af defekten under belysning. De bemærkede også, at effekten var reversibel, levetiden steg igen, når materialet blev opvarmet i mørke, en proces, der almindeligvis bruges til at fjerne "fælderne".

Papiret, "Identifikation af mekanismen, der er ansvarlig for boroxygenlysinduceret nedbrydning i fotovoltaiske siliciumceller, "er offentliggjort i Journal of Applied Physics .