Som en sal af spejl, nanostrukturer fanger fotoner inde i ultratynde solceller (m/ video)

I jagten på at gøre solkraft mere konkurrencedygtig, forskere designer ultratynde solceller, der reducerer materialeomkostningerne. Samtidig holder de disse tynde celler effektive ved at skulpturere deres overflader med fotovoltaiske nanostrukturer, der opfører sig som en molekylær spejlsal.

"Vi vil sikre, at lys bruger mere kvalitetstid inde i en solcelle, " sagde Mark Brongersma, en professor i materialevidenskab og ingeniørvidenskab ved Stanford og medforfatter til en reviewartikel i Naturmaterialer .

Brongersma og to Stanford-kolleger - lektor i materialevidenskab og teknik Yi Cui og professor i elektroteknik Shanhui Fan - undersøgte 109 nylige videnskabelige artikler fra hold rundt om i verden.

Deres oversigt kredser om et grundlæggende tema:at se på de mange forskellige måder, som forskere forsøger at maksimere kollisioner mellem fotoner og elektroner i de tyndest mulige lag af solcellematerialer. Målet er at afsløre tendenser og bedste praksis, der vil hjælpe med at drive udviklingen på området.

Solenergi produceres, når fotoner af lys kolliderer med elektronerne i en fotovoltaisk krystal. Når løse elektroner bevæger sig gennem krystallen, de genererer en elektrisk strøm.

Nutidens solceller er allerede tynde. De består af lag af fotovoltaiske materialer, generelt silicium, i gennemsnit 150 til 300 mikrometer, hvilket er nogenlunde diameteren af ​​to til tre menneskehår.

Mens ingeniører fortsætter med at barbere disse dimensioner ned, er de nødt til at udvikle nye molekylære fælder og snarer for at sikre, at fotoner ikke blot suser gennem deres ultratynde solceller, før de elektriske gnister kan flyve.

"Meget af spændingen handler nu om at bruge fotonikens principper til at styre lysbølger på den mest effektive måde, " sagde Fan. "Der er måske hundredvis af grupper i verden, der arbejder på dette."

Oversigtsartiklen giver et overblik over, hvordan videnskabsmænd forsøger at designe strukturer for at lette interaktioner mellem de uendelige anstiftere af solstrøm, fotonerne og elektronerne.

Forskning står over for enorme udfordringer i forsøget på at bygge nanostrukturer, der er tilpasset til at fange lys. Sollys består af mange farver. Når vi ser regnbuen, det, vi ser, er resultatet af atmosfærisk fugt, der fungerer som et prisme, der bøjer lyset ind i dets konstituerende farver. At skabe forskellige nanostrukturer for at fange gryden af ​​fotoner for enden af ​​hver regnbuefarve er en del af, hvad denne forskning handler om.

Alligevel, videnskabsmænd rapporterer allerede en vis succes

"Vi ser systemer, der bruger en hundrededel så meget fotovoltaisk materiale som nutidens solceller, mens de får 60-70 procent af den elektriske effekt, " sagde Brongersma.

Det mest almindelige fotovoltaiske materiale er en raffineret form for silicium svarende til det, der findes i computerchips. Dette materiale tegner sig for 10 procent til 20 procent af en solcelles omkostninger. En 100-dobling af disse udgifter ville derfor have en betydelig effekt på den samlede omkostningseffektivitet af solenergiproduktion.

Men Cui siger, at sænkning af materialeomkostninger kun er en del af fremstødet bag ultratynde solenergi. En anden fordel er fleksibilitet. På grund af tykkelsen af ​​det lysfangende siliciumlag, nutidens solceller skal holdes stive, så deres krystalgitter ikke beskadiges og elektronstrømmen forstyrres.

"Men ved 10 mikrometers tykkelse har silicium en høj grad af mekanisk fleksibilitet, " sagde Cui, citerer en dimension mindre end en tiendedel af tykkelsen af ​​det solcellelag inde i nutidens solceller.

Cui, hvem har lavet netop sådan et eksperimentelt materiale, viser en film, hvor man blafrer dette tynde silicium som et stykke papir og klipper det med en saks (se separate videoer; blafrer /ovenfor/ og klipper /nedenfor/). Disse tynde siliciumstrimler inkorporerer nogle af de fotonfangende nanostrukturer beskrevet i Naturmaterialer artikel. Cui siger, at lys-til-energi-konverteringseffektiviteten for tyndt silicium nærmer sig den for det stive silicium i nutidens solceller.

Flapping af silicium er ikke kun et videnskabeligt projekt. En sådan fleksibilitet ville betale sig, når det kommer til installation, som tegner sig for omkring en tredjedel af de samlede omkostninger ved et solcelleanlæg på taget. "Disse tynde siliciumceller kan indlejres i fleksibel plastik, gør installation som at rulle et tæppe ud, " sagde Cui.

Men selvom det lykkes forskerne at få mere ud af mindre, mange forhindringer tilbage ifølge Fan, der udvikler computermodeller for at studere, hvordan forskellige nanostrukturer og materialer vil påvirke foton-elektron-interaktioner.

"Der er et uendeligt antal strukturer, så det er ikke muligt at modellere dem alle, " han sagde, hentyder til, hvad han kaldte de "teoretiske flaskehalse", der hindrer videnskabelig forståelse af dette æteriske rige, hvor lys og stof krydser hinanden.

"For eksempel, lige nu, vi har virkelig ikke en måde at vide, hvornår vi har fået mest muligt ud af vores fotoner, " sagde Fan.