211service.com
Flexibele silicium zonnecellen
Conventionele zonnecellen zijn omvangrijk en onbuigzaam, maar het bouwen van lichtgewicht, flexibele cellen gaat gepaard met compromissen in efficiëntie en robuustheid. Een nieuwe methode voor het maken van flexibele arrays van kleine siliciumzonnecellen zou apparaten kunnen produceren die deze compromissen niet ondergaan. Arrays van deze microcellen zijn even efficiënt als conventionele zonnepanelen en zijn mogelijk goedkoper te produceren omdat ze aanzienlijk minder silicium gebruiken. De minuscule zonnecellen kunnen onder meer worden verwerkt in het tinten van ramen en kunnen worden gebruikt om de airconditioning en GPS van een auto van stroom te voorzien.
De kracht van silicium buigen: Arrays van minuscule siliciumzonnecellen zoals die op deze foto worden geassembleerd met behulp van een transfer-printtechniek. Deze arrays zijn even efficiënt als conventionele zonnecellen, die omvangrijk en stijf zijn. Elke microcel in de reeks is ongeveer 1,5 millimeter lang en 15 micrometer dik.
Onderzoekers onder leiding van John Rogers , een professor in materiaalkunde en techniek aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign, gebruikte een combinatie van etsen en transferprinten om arrays van siliciumcellen te maken die een tiende van de dikte van conventionele cellen zijn. Ze demonstreerden meerdere mogelijke ontwerpen voor zonnepanelen waarin de microcellen zijn verwerkt, inclusief dichte arrays die flexibel genoeg zijn om rond een potlood te buigen. Je zou ze kunnen oprollen als een tapijt, ze in een busje kunnen vervoeren en ze op een dak kunnen uitrollen, zegt Rogers.
Het proces bouwt voort op technieken voor het maken van flexibele elektronica die Rogers de afgelopen jaren heeft ontwikkeld. Eerst etsen de Illinois-onderzoekers staven van ongeveer 1,5 millimeter lang, 50 micrometer breed en 15 micrometer dik van een plak monokristallijn silicium. Ze gebruiken een stempel gemaakt van een zacht polymeer om de microstaven op te pakken en ze op een substraat te plaatsen, dat van glas of een flexibel plastic kan zijn, en vervolgens verbindingen te maken. Rogers ontdekte dat een celdikte van 15 tot 20 micrometer een goede balans vond: dun genoeg om flexibel te zijn, maar dik genoeg om mechanisch stabiel en efficiënt te zijn. Conventionele zonnecellen gebruiken een laag silicium van 150 tot 200 micrometer dik.
Arrays van de cellen hebben een efficiëntie van ongeveer 12 procent. De Illinois-onderzoekers verhoogden het vermogen van de arrays met ongeveer tweeënhalf keer door concentrators toe te voegen in de vorm van een laag cilindrische microlenzen. De beste zonnecellen op de markt zetten meer dan 20 procent van het zonlicht dat erop valt om in energie.
Dit is een mooi begin om siliciumwafels efficiënter te gebruiken, zegt Howard Branz , hoofdwetenschapper in de groep siliciummaterialen en -apparaten van het National Renewable Energy Laboratory, in Golden, CO. Met hun transfer-printing-aanpak hebben Branz, Rogers en zijn groep voor het eerst aangetoond hoe dergelijke dunne cellen op grote gebieden.
Flexibele zonnecellen gemaakt van een andere vorm van silicium, amorf silicium genaamd, hebben een plaats gevonden in nichetoepassingen waar een laag gewicht cruciaal is. Deze cellen zijn echter niet op grotere schaal gebruikt omdat ze veel minder efficiënt zijn dan het kristallijne silicium dat in conventionele zonnecellen wordt gebruikt. Er zijn veel groepen bezig met nieuwe materialen, waaronder polymeren voor flexibele zonnecellen. Maar deze materialen komen nog niet overeen met de efficiëntie en duurzaamheid van silicium, zegt Ray Chen , een professor in het onderzoekscentrum voor micro-elektronica aan de Universiteit van Texas in Austin. Ik kan niet zeggen dat silicium dat zal zijn de materiaal op de lange termijn, zegt Chen. Maar op basis van de gegevens die we op dit moment hebben, is [monokristallijn] silicium een zeer robuust materiaal en heeft het het voordeel van betrouwbaarheid en efficiëntie.
Een groot voordeel van het maken van zonnecelarrays met behulp van zijn transfer-printproces, zegt Rogers, is de mogelijkheid om de afstand tussen de microcellen te regelen. Dunne reeksen van de cellen zijn semitransparant en kunnen worden gebruikt als getinte, energieproducerende raamcoatings. Rogers hoopt ook dat de dunne zonnecellen conventionele zonnecellen zullen vervangen op daken en op andere plekken waar zonnecellen al voorkomen. Als de Illinois-technologie goedkoper en gemakkelijker te vervoeren en te installeren blijkt te zijn dan conventionele cellen, zou dit een aantal belemmeringen voor een wijdverbreid gebruik van zonne-energie kunnen wegnemen.
Toch blijven er vragen over de efficiëntie van de zonnecellen van Rogers. Om game changers te zijn, moeten deze cellen een efficiëntie hebben die dichter bij 15 procent ligt, zegt Branz. Er zijn bestaande methoden om de efficiëntie van monokristallijne siliciumzonnecellen tot meer dan 20 procent te verhogen, zegt Rogers, en deze methoden zouden ook op de microcellen kunnen worden toegepast, hoewel de onderzoekers van de University of Illinois zich nog niet hebben gericht op het optimaliseren van de efficiëntie van het materiaal.