Stanford-forskere ser fremtiden for solen, og det handler om nanodomes og plasmonics

(PhysOrg.com) - Stanford-ingeniører har haft held med at udnytte plasmonics - en spirende gren af ​​videnskab og teknologi - for mere effektivt at fange lys i tynde solceller. Som resultat, vi er et skridt tættere på tynd, billige solceller.

Forskere i solenergi taler om en dag, hvor millioner af ellers braklagte kvadratmeter solbeskinnede tage, vinduer, ørkener og endda tøj vil blive integreret med billige solceller, der er mange gange tyndere og lettere end de omfangsrige tagpaneler, der er kendt i dag.

Så, når din iPod er på vej, du kan sætte den i din skjorte for at genoplade. Fortabt i Serengeti med en ødelagt mobiltelefon? Intet problem; rullet i din rygsæk er en letvægts solcellepude. Sejler du på de syv have og har din GPS brug for noget juice? Hejst et solsejl og vær ét med guderne for geosynkron kredsløb.

Det er ikke svært at forestille sig en tid, hvor sådanne teknologier vil være allestedsnærværende i vores stadig mere energi-hungrende liv. Den dag kan komme lidt hurtigere takket være et tværfagligt team af Stanford-ingeniører ledet af Mike McGehee, Yi Cui og Mark Brongersma, og følgeskab af Michael Graetzel på École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL).

Bølger af energi

I en artikel offentliggjort i Avancerede energimaterialer , Stanford/EPFL-teamet annoncerede en ny type tynd solcelle, der kunne tilbyde en ny retning for feltet. Det lykkedes dem at udnytte plasmonics - en ny gren af ​​videnskab og teknologi - til mere effektivt at fange lys i tynde solceller for at forbedre ydeevnen og skubbe dem et skridt tættere på den daglige virkelighed.

"Plasmonics gør det meget lettere at forbedre effektiviteten af ​​solceller, " sagde McGehee, en lektor i materialevidenskab og teknik ved Stanford.

McGehee er direktør for CAMP – Center for Advanced Molecular Photovoltaics – en multidisciplinær, multi-universitetshold, der tackler udfordringerne ved tyndfilmsolceller.

"Ved at bruge plasmonics kan vi absorbere lyset i tyndere film end nogensinde før, " sagde McGehee. "Jo tyndere filmen er, jo tættere er de ladede partikler på elektroderne. I det væsentlige, flere elektroner kan nå elektroden og blive til elektricitet."

Plasmonik er studiet af samspillet mellem lys og metal. Under præcise omstændigheder, disse interaktioner skaber et flow af højfrekvente, tætte elektriske bølger i stedet for elektronpartikler. Den elektroniske puls bevæger sig i ekstremt hurtige bølger med større og mindre tæthed, som lyd gennem luften.

En perfekt solvaffel

Pæreøjeblikket for holdet kom, da de indprentede et honeycomb-mønster af fordybninger i nanoskala i et lag af metal inde i solcellen. Tænk på det som en vaffel i nanoskala, kun bumpene på vaffeljernet er kupler i stedet for terninger – nanodomer for at være præcis, hver kun et par milliardtedele af en meter i diameter.

For at forme deres vaffel, McGehee og teammedlemmer spredte et tyndt lag dej på en gennemsigtig, elektrisk ledende base. Denne dej er for det meste titaniumoxid, et semi-porøst metal, der også er gennemsigtigt for lys. Næste, de bruger deres nano vaffeljern til at præge fordybningerne i dejen. Næste, de lægger lidt smør på – et lysfølsomt farvestof – som siver ind i vaflens fordybninger og porer. Til sidst, ingeniørerne tilføjer noget sirup – et lag sølv, som hærder næsten øjeblikkeligt.

Når alle de nanodimples fyldes, resultatet er et mønster af nanodomer på lyssiden af ​​sølvet.

Dette ujævne lag af sølv har to primære fordele. Først, det fungerer som et spejl, sprede uabsorberet lys tilbage i farvestoffet til endnu et skud ved indsamling. Sekund, lyset interagerer med sølv nanodomerne for at producere plasmoniske effekter. Disse kupler af sølv er afgørende. Reflekser uden dem vil ikke give den ønskede effekt. Og alle gamle nanodomer duer heller ikke; de skal have den rigtige diameter og højde, og lige så fordelt, at optimere plasmonikken fuldt ud.

Hvis du forestiller dig, at dit nanoselv observerer en af ​​disse solceller i slowmotion, du ville se fotoner komme ind og passere gennem den gennemsigtige base og titania (vaflen), på hvilket tidspunkt nogle fotoner ville blive absorberet af det lysfølsomme farvestof (smøret), skabe en elektrisk strøm. De fleste af de resterende fotoner ville ramme sølvbagreflektoren (den hærdede sirup) og hoppe tilbage i solcellen. En vis del af fotonerne, der når sølvet, imidlertid, vil ramme nanodomerne og få plasmoniske bølger til at løbe udad. Og der har du det - den første nogensinde plasmoniske farvestofsensibiliserede solcelle.

Fange lyset fantastisk

Det er let at se, hvorfor forskerne er fokuseret på tyndfilmssolteknologi. I de seneste år, meget håb er blevet rettet mod disse lette, fleksible celler, der bruger lysfølsomme farvestoffer til at generere elektricitet. Disse celler har mange fordele:De er mindre energikrævende og billigere at producere, flyder som avispapir fra enorme rullepresser. De er selv tyndere end andre "tynde" solceller. De kan også printes på fleksible underlag, der kan rulles sammen og tages med stort set overalt. Mange bruger giftfri, rigeligt tilgængelige materialer, også – et kæmpe plus i skub for bæredygtighed.

Farvesensibiliserede solceller er ikke uden udfordringer, imidlertid. Først og fremmest, de allerbedste omdanner kun en lille procentdel af lyset til elektricitet – omkring 8 procent. De mere omfangsrige kommercielle teknologier, der er tilgængelige i dag, har nået 25 procent effektivitet, og visse avancerede applikationer har toppet 40 procent. Og så er der holdbarhed. Den seneste tynde solcelle vil holde omkring syv år under kontinuerlig eksponering for elementerne. Ikke dårligt, før du tænker på, at 20 til 30 år er den kommercielle standard.

Både effektiviteten og pålideligheden skal forbedres. Ikke desto mindre, ingeniører som McGehee mener, at hvis de kan omdanne blot 15 procent af lyset til elektricitet - et tal, der ikke er uden for rækkevidde - og drille levetiden til et årti, vi kan snart befinde os i de personlige solcellers tidsalder. Et fremskridt som plasmonics kan måske give den nødvendige gnist til at tage feltet ned ad en ny og spændende vej.

Et spørgsmål om økonomi

Billigere og renere bliver nøglerne. Kulbaseret strøm er rigeligt og billigt, men har også store miljømæssige omkostninger i udhulede landskaber og forurenede himmelstrøg. Med dagens kommercielle priser, imidlertid, selv de bedste solenergialternativer koster fem gange mere pr. kilowatt-time end kul. Det er klart, at økonomi, og ikke teknologi, er det, der står mellem os og vores solfremtid.

Men McGehee og andre er sikre på, at de kan gøre tynde solceller mere attraktive.