211service.com
De sleutel tot betere zonnecellen: hobbelige spiegels
Met kleurstof gesensibiliseerde dunnefilmzonnecellen zijn goedkoper te maken dan conventionele siliciumcellen, maar ze zijn nog steeds relatief inefficiënt.
Nanodomen: Een reeks kwartskoepels van 600 nanometer breed en 200 nanometer hoog (bovenaan) wordt in een dunne titaniumdioxidefilm geperst om gaten in de film (onder) te printen. Het vullen van de gaten met zilver helpt om meer licht in op kleurstof gebaseerde zonnecellen op te vangen.
Nu hebben onderzoekers van Stanford University een speciaal ontworpen metalen reflector gebruikt om de efficiëntie van vaste elektrolytkleurstof-gevoelige zonnecellen met maar liefst 20 procent te verhogen. De reflector is een dunne zilverfilm met een reeks bultjes op nanoschaal. De onderzoekers gebruiken de film om het achteroppervlak van de cellen te coaten; de film helpt meer licht in de cellen op te vangen. We krijgen ongeveer 5 tot 20 procent meer absorptie, afhankelijk van de kleurstof, zegt Michael McGehee , directeur van het Center for Advanced Molecular Photovoltaics in Stanford. McGehee leidde het onderzoek, dat deze week online werd gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde energiematerialen .
Kleurstofgevoelige dunnefilmcellen met een licht-naar-elektriciteitsconversie-efficiëntie van ongeveer 11 procent maakten onlangs hun commerciële debuut. Ze gebruiken echter vloeibare elektrolyten die vluchtig zijn en kunnen lekken. Cellen met vaste elektrolyten hebben slechts een efficiëntie van ongeveer 5 procent laten zien.
Ze namen de beste solid-state kleurstofcel die ze konden, en maakten het beter, zegt David Ginger , een scheikundeprofessor aan de Universiteit van Washington, van de Stanford-onderzoekers. Sterker nog, ze deden het met behulp van technologie en methoden die mogelijk in een productieomgeving zouden kunnen worden gebruikt.
Op kleurstof gebaseerde zonnecellen zijn samengesteld uit halfgeleider nanokristallen (meestal titaandioxide of titania) die zijn gecoat met kleurstofmoleculen en - samen met een elektrolyt - tussen glas of plastic platen. De kleurstof absorbeert licht en creëert elektronen en positief geladen gaten. De kristallen brengen de elektronen over naar de ene elektrode om een elektrische stroom te produceren, terwijl de elektrolyt de gaten naar de andere elektrode transporteert.
Vaste elektrolyten zijn echter niet zo efficiënt als vloeibare, en de elektronen en gaten recombineren gemakkelijker. Om dat te voorkomen, is de titanialaag erg dun, meestal twee micrometer. Maar hoe dunner de cellen, hoe sneller het licht er doorheen gaat zonder geabsorbeerd te worden. Onderzoeksinspanningen om de efficiëntie van deze cellen te verbeteren, waren meestal gericht op het ontwikkelen van sterkere kleurstoffen en nieuwe soorten nanokristallen. Maar McGehee en zijn collega's gebruikten plasmonische reflectoren om de efficiëntie van hun cel te verbeteren.
Plasmonen zijn de oscillaties van elektronen op een metalen oppervlak wanneer ze worden geëxciteerd door licht. Door de vorm van het oppervlak te regelen, kunt u het soort plasmonen dat wordt gecreëerd, bepalen, wat op zijn beurt de interactie van licht met het materiaal beïnvloedt.
De reflector die in Stanford is gemaakt, heeft bobbels die plasmonen creëren, die een deel van de binnenkomende lichtstralen 90 graden draaien. Dus in plaats van het zilver terug te kaatsen en terug uit de cel te gaan, wordt er meer licht heen en weer in de cel verspreid, waardoor de kleurstof een langere tijd heeft om het te absorberen.
De onderzoekers maakten hun apparaten door glas te coaten met een transparante geleidende elektrode waarop ze een laag titanium nanodeeltjes afzetten. Daarna namen ze een kwartsstuk bedekt met 600 nanometer brede koepels en drukten het in de titania, waarbij ze het effectief reliëfden met kleine gaatjes. Ten slotte voegden ze lagen kleurstof en zilver toe.
Dit is de eerste keer dat plasmonstructuren zijn toegepast op solid-state kleurstof-gesensibiliseerde zonnecellen, waarbij een substantiële toename van de celefficiëntie wordt gerapporteerd, zegt Kylie Catchpole , een onderzoeker aan de Australian National University. Catchpole gebruikt lichtvangende plasmonics om de efficiëntie van andere soorten dunnefilmzonnecellen te verhogen.
Er moet nog veel werk worden verzet voordat de technologie op de markt komt, zegt Martin Groen , die werkt aan lichtvangende fotovoltaïsche energie aan de Universiteit van New South Wales. Green zegt dat kleurstofgevoelige cellen enorme belangstelling hebben gewekt van de academische gemeenschap, maar dat ze [weinig] commerciële impact hebben gehad vanwege de lage efficiëntie en twijfelachtige duurzaamheid in vergelijking met commerciële cellen. Vloeibare elektrolytcellen hebben hun intrede op de markt gedaan, maar Green is ook sceptisch over hun vooruitzichten.
McGehee is er echter van overtuigd dat een voldoende hoge efficiëntie mogelijk zal zijn. De onderzoekers kijken nu naar het maken van reflectoren met hobbels van verschillende grootte, hoogte, tussenruimte en patronen. Door deze factoren aan te passen, zouden ze in staat moeten zijn om de hoeveelheid licht die de cellen absorberen te vergroten. Ze konden ook verschillende kleurstoffen verkennen. Er lijkt zeker een duidelijk pad te zijn om de efficiëntie met meer dan 20 procent te verhogen, zegt hij.