Jest to zdjęcie fotomikrograficzne silikonowego układu drutowego wbudowanego w transparentnym, elastycznym filmie polimerowym dla energii słonecznej opracowane w Caltech.
Wykorzystując układy długich, cienkich przewodów silikonowych wbudowanych w polimerowe podłoże, zespół naukowców z Kalifornijskiego Instytutu Technologii (Caltech) stworzył nowy typ elastycznych baterii słonecznych, które zwiększają pochłanianie światła słonecznego i wydajnie przekształcają jego fotony na elektrony. Bateria słoneczna robi to wszystko z wykorzystaniem wyłącznie niewielkiej ilości drogich materiałów półprzewodnikowych potrzebnych do konwencjonalnych baterii słonecznych.
„Te baterie słoneczne po raz pierwszy przekroczyły granicę konwencjonalnego wychwytywania światła przez materiały pochłaniające”, mówi Harry Atwater, profesor Howard Hughes, profesor fizyki stosowanej i materiałoznawstwa , oraz dyrektor Instytutu Resnick Caltech, który koncentruje się na badaniach trwałości.
Granica wychwytywania światła materiału odnosi się do ilości światła słonecznego, które jest on w stanie pochłaniać. Układy z silikonowymi przewodami absorbują do 96 procent padającego światła słonecznego na pojedynczej długości fali oraz 85 procent całego dającego się pobrać światła słonecznego. „Przewyższyliśmy poprzednie opracowane mikrostruktury optyczne do wychwytywania światła,” mówi.
Atwater wraz z kolegami – w tym Nathan’em Lewis’em, profesorem George L. Argyros oraz profesorem chemii w Caltech, jak również absolwentem Michael’em Kelzenbergiem – ocenili osiągnięcia tych układów w gazecie, która ukazała się 14 lutego przed wydaniem online czasopisma Nature Materials.
Atwater zauważa, że zwiększona absorpcja baterii słonecznych jest „użyteczną absorpcją”.
„Wiele materiałów może dość dobrze pochłaniać światło, ale nie generuje elektryczności – jak, na przykład, czarna farba”, wyjaśnia. „Najważniejsze w baterii słonecznej jest to czy taka absorpcja prowadzi do stworzenia nośników prądu elektrycznego.”
Układy z przewodami silikonowymi stworzone przez Atwater’a i jego kolegów są w stanie przetworzyć pomiędzy 90 a 100 procent fotonów, które absorbują na elektrony – mówiąc językiem technicznym, przewody mają prawie idealną wewnętrzną wydajność kwantową. „Wysoka absorpcja plus dobre przetwarzanie sprawiają, że bateria słoneczna jest wysokojakościowa”, mówi Atwater. „Jest to ważny krok do przodu”.
Kluczem do sukcesu tych baterii słonecznych są ich silikonowe przewody, z których każdy, mówi Atwater, „jest niezależnie wysoce wydajną, wysoce jakościową baterią słoneczną.” Złożenie ich w układ, sprawia, że są one jeszcze bardziej wydajne, ponieważ oddziałują wzajemnie zwiększając możliwości baterii do absorpcji światła.
„Światło wchodzi w każdy przewód, i część jest absorbowana a inna część rozprasza się. Zbiorowe interakcje rozpraszające między przewodami czynią układ wysoce absorbującym,” mówi.
Ten wynik pojawia się pomimo rzadkości przewodów w układzie – zajmują one zaledwie między 2 a 10 procent obszaru powierzchni baterii.
„Kiedy po raz pierwszy rozważaliśmy baterie słoneczne z układem silikonowych przewodów, przypuszczaliśmy, że światło słoneczne będzie tracone w przestrzeni pomiędzy przewodami,” wyjaśnia Kelzenberg. „Więc nasz początkowy plan był taki, aby przybliżyć do siebie przewody możliwie najwięcej. Ale kiedy zaczęliśmy określać ich absorpcję zrozumieliśmy, że można absorbować więcej światła niż przewidziano poprzez jedynie ułożenie niewielkiej części przewodu. Rozwijając techniki wychwytywania światła dla stosunkowo rzadkich układów przewodowych, uzyskaliśmy nie tylko odpowiednią absorpcję, ale również przedstawiliśmy efektywną koncentrację optyczną ?interesującą perspektywę dla dalszego zwiększania efektywności baterii słonecznych z układami silikonowych przewodów.”
Każdy przewód mierzy między 30 a 100 mikronów długości i tylko 1 mikron średnicy. „Całkowita grubość układu jest długością przewodu,” informuje Atwater. „Lecz z punktu widzenia powierzchni czy objętości, tylko 2 procent stanowi silikon, a 98 procent polimer.”
Innymi słowy, podczas gdy te układy mają grubość konwencjonalnej krystalicznej baterii słonecznej, ich objętość jest równa tej o grubości warstwy dwóch mikronów .
To jest schematyczny wykres elementów wychwytujących światło używanych do zoptymalizowania absorpcji w wbudowanym polimerowym układzie z przewodem silikonowym.
Ponieważ silikon jest drogim składnikiem konwencjonalnych baterii słonecznych, bateria która potrzebuje tylko jednej pięćdziesiątej ilości tego półprzewodnika będzie dużo tańsza w produkcji.
Złożony charakter tych baterii słonecznych, dodaje Atwater, oznacza że są one również bardzo elastyczne. „Ważne jest posiadanie tych całkowicie elastycznych arkuszy materiału z końcami do góry,” mówi, „ponieważ cienkie elastyczne warstwy mogą być wyprodukowane w procesie roll-to-roll, z natury w procesie mniej kosztownym niż ten który wymaga kruchych płytek, takie jak te stosowane w produkcji konwencjonalnych baterii słonecznych.”
Atwater, Lewis, oraz ich koledzy udowodnili wcześniej, że możliwe jest stworzenie tych innowacyjnych baterii słonecznych. „One były wizualnie zadziwiające,” mówi Atwater. „Ale do tej pory nie mogliśmy wykazać, że są one zarówno wysokowydajne w gromadzeniu nośnika oraz bardzo absorbujące.”
Kolejnymi krokami, mówi Atwater, są zwiększenie napięcia roboczego oraz całkowitego rozmiaru baterii słonecznej. „Konstrukcje jakie zrobiliśmy są wielkości centymetrów kwadratowych,” wyjaśnia. „Obecnie powiększamy skalę baterii, które wyniosą setki centymetrów kwadratowych – rozmiar zwykłej baterii.”
Atwater mówi, że zespół jest już „w drodze” do przedstawienia pracy tych dużych baterii jak również tych mniejszych wersji.
Oprócz Atwater’a, Lewis’a, oraz Kelzenberg’a, wszyscy współautorzy Caltech w czasopiśmie Nature Materials, „Zwiększona absorpcja oraz gromadzenie nośników w przewodach Si dla zastosowań fotoogniw”, są stypendystami doktoranckimi Shannon Boettcher oraz Joshua Spurgeon; student Jan Petykiewicz; oraz absolwenci Daniel Turner-Evans, Morgan Putnam, Emily Warren i Ryan Briggs.
Ich badania były wspierane przez BP oraz program Energy Frontier Research Center Departmentu Energii, oraz wykorzystały urządzenia Center for Science and Engineering of Materials, a National Science Foundation Materials Research Science oraz Engineering Center w Caltech. Dodatkowo, Boettcher otrzymał pomoc stowarzyszenia Kavli Nanoscience Institute w Caltech.
Przesłane przez Alton Parrish
Na podstawie nanopatentsandinnovations.blogspot.com
Anna Głaz
