211service.com
Licht manipuleren om de zonne-energie te verdubbelen
De meeste zonnepanelen zetten minder dan 20 procent van de energie in het zonlicht dat erop valt om in elektriciteit. Een nieuw project van $ 2,4 miljoen, gefinancierd door het Amerikaanse Advanced Research Projects Agency for Energy, heeft tot doel de hoeveelheid zonlicht die elektriciteit wordt, aanzienlijk te vergroten. Het doel is een conversie-efficiëntie van meer dan 50 procent, wat meer dan het dubbele zou zijn van de hoeveelheid stroom die wordt gegenereerd door een zonnepaneel van een bepaalde grootte. Dit zou het aantal benodigde zonnepanelen halveren en mogelijk zonne-energie concurrerender maken met fossiele brandstoffen.
In de nieuwe onderzoeksinspanning is Harry Atwater, hoogleraar toegepaste natuurkunde en materiaalkunde aan Caltech, van plan om nauwkeurig gestructureerde materialen te gebruiken om zonlicht in acht tot tien verschillende kleuren te sorteren en die naar zonnecellen te leiden met halfgeleiders die perfect zijn afgestemd op elke kleur . Als gevolg hiervan zal meer van het zonnespectrum worden geabsorbeerd en zal de energie in elk deel van het spectrum grotendeels worden omgezet in elektriciteit in plaats van warmte.
Het algemene idee om zonlicht op kleur te sorteren is niet nieuw. Eén benadering omvat het kweken van meerdere halfgeleidermaterialen in een stapel - licht beweegt door de stapel totdat het wordt geabsorbeerd door een halfgeleider die het efficiënt kan omzetten. Deze aanpak heeft commerciële zonnecellen opgeleverd met een efficiëntie van meer dan 43 procent. Maar het proces om dergelijke zonnecellen te maken is duur en het vermogen van het apparaat wordt beperkt door de slechtst presterende laag.
Anderen hebben geprobeerd het licht in verschillende kleuren te sorteren met behulp van conventionele lenzen, spiegels en filters, maar de prototypes waren omvangrijk en hebben geen erg hoge efficiëntie bereikt, deels vanwege de onnauwkeurigheid van de optica - het bleek moeilijk om precies de juiste richting te sturen. golflengten van licht naar elke zonnecel. Het was ook moeilijk om het licht op te splitsen in meer dan een paar verschillende kleuren in één apparaat.
In de afgelopen jaren zijn wetenschappers er echter beter in geworden om licht op zeer kleine schaal te manipuleren, het op kleur te sorteren, te vangen en van de ene plek naar de andere te leiden met behulp van dunne lagen materiaal met kleine kenmerken die vaak kleiner zijn dan de golflengte van het licht. Atwater is van plan gebruik te maken van deze vooruitgang om licht precies en in een compact, plat pakket te manipuleren dat er misschien niet veel anders uitziet dan een conventioneel zonnepaneel. Eén laag splitst het licht op, sorteert het op kleur en levert het vervolgens af aan een tweede laag die een reeks zonnecellen bevat die bij elke kleur passen.
De uitdaging met deze aanpak is dat niemand deze nauwkeurig gestructureerde materialen maakt over de grote gebieden en in de grote volumes die nodig zijn in de zonne-industrie. Maar Atwater vergelijkt het apparaat met een flatscreen-tv, die zelf een geavanceerd apparaat is om licht te manipuleren, met zijn miljoenen transistors voor het in- en uitschakelen van verschillende gekleurde pixels.
De eersten die uitkwamen waren vele duizenden dollars en hadden gebreken. Nu kun je er een krijgen voor minder dan honderd dollar die in wezen perfect is, en de kosten dalen voortdurend, zegt hij. Platte displays zijn een voorbeeld van iets op de schaal van een zonnepaneel, maar het zijn ongelooflijk complexe opto-elektronische circuits. Wat we voorstellen is primitief volgens die norm.
Atwater zegt dat de productietools die nodig zijn om zijn nanogestructureerde materialen te maken op de markt beginnen te komen. Ze blijven echter duur zolang de productievolumes laag zijn. Onderzoekers naderen ook de mogelijkheid om dunne wafels van verschillende halfgeleiders te maken en deze over te brengen naar een apparaat zoals het apparaat dat hij voor ogen heeft.