211service.com
Microscopische zonnecellen kunnen meer zonlicht zien
Onderzoekers van Sandia National Laboratories hebben siliciumzonnecellen tot op microschaal gekrompen, waardoor nieuwe mogelijkheden voor verbeterde efficiëntie ontstaan.
Silicium schalen: Deze verkleinde, zeshoekige siliciumzonnecellen hebben een diameter van 0,25 tot één millimeter. De lijnen die op sommige ervan zichtbaar zijn, zijn metalen elektrische contacten.
Multikristallijn silicium, momenteel de gouden standaard voor de efficiëntie van zonnecellen, is duur en produceert cellen die zwaar en broos zijn. Sandia's microscopisch kleine siliciumzonnecellen gebruiken 100 keer minder materiaal en werken met dezelfde efficiëntie.
Naast lagere materiaalkosten, betekent de kleinere schaal van deze cellen dat ze kunnen worden ingebouwd in compacte optische systemen voor goedkopere lichtregistratie en concentratie. Onderzoekers kunnen ze zelfs ophangen in inkt die op plastic kan worden geprint om efficiënte, flexibele silicium-zonnemodules te maken.
In microsystemen ben je op zoek naar dingen die goedkoper worden, beter presteren en nieuwe functionaliteiten krijgen, zegt Gregory Nielson, hoofdwetenschapper van het project.
Tot nu toe hebben de Sandia-onderzoekers als proof of principle één enkele microzonnecel geassembleerd en getest. Maar ze zijn begonnen met het testen van functionerende zonnepanelen die zijn gemaakt van meerdere kleine cellen en ontwikkelen technieken om ze efficiënt te assembleren.
Sandia's cellen hebben een diameter tussen 0,25 en één millimeter. Het belangrijkste voordeel van het vervaardigen van dergelijke kleine cellen zijn lagere materiaalkosten, aangezien de kleine cellen ongeveer 10 keer dunner kunnen worden gemaakt dan conventionele cellen. Gewoonlijk moeten zonnecellen 100 micrometer dik zijn om hun oppervlak te ondersteunen, meestal ongeveer 15 vierkante centimeter.
Sandia maakt zijn cellen van silicium dat is verwerkt met conventionele chemische methoden. Onderzoekers kerven de cellen uit dit silicium met behulp van een chemische etstechniek die verwaarloosbaar afval veroorzaakt. Ze behandelen het oppervlak van de wafel om de elektrische eigenschappen te creëren die nodig zijn voor een functionerende cel, en bedekken deze vervolgens met metalen contacten. Onderzoekers etsen vervolgens de top 10 tot 20 micrometer van het wafeloppervlak met chemicaliën die alleen in een bepaald deel van de kristalstructuur vreten.
De resulterende cellen zijn ongeveer 20 micrometer dik, maar hebben dezelfde efficiëntie als conventionele cellen, waarbij ongeveer 14,9 procent van het zonlicht wordt omgezet in elektrische energie. Het is ook gemakkelijker om de cellen in een zeshoekige vorm te maken, waardoor het beschikbare gebied optimaal wordt benut zonder veel silicium te verspillen. De materiaalbesparingen zijn een groot probleem, zegt Nielson.
Silicium en zon: Sandia-onderzoeker Gregory Nielson houdt een reeks microschaal, multikristallijne siliciumzonnecellen omhoog.
Zonnecellen op microschaal bieden nieuwe mogelijkheden voor lichtconcentratie en tracking, wat de efficiëntie van de cellen verder zou kunnen verhogen. Conventionele volgsystemen zijn groot en zwaar en moeten worden verplaatst door motoren. Een reeks micro-zonnecellen kan worden aangevuld met een reeks microlenzen die slechts een fractie van een millimeter hoeft te bewegen om de zon te volgen.
De microscopische cellen kunnen ook worden gecombineerd met efficiëntere lenzen. In plaats van Fresnel-lenzen, die omvangrijk zijn en slechts ongeveer 80 procent van het licht opvangen dat erop valt, zouden de microcellen refractieve lenzen kunnen gebruiken, die 90 procent van het binnenkomende licht opvangen. Het is niet praktisch om refractieve lenzen te gebruiken met conventionele zonnecellen, omdat dergelijke lenzen te duur en te omvangrijk zouden worden vanwege de vereiste afmetingen (hoe groter de lens, hoe verder deze van het oppervlak van de cel moet worden gemonteerd). Maar voor de Sandia-cellen zou een array van refractieve microlens elk siliciumapparaat kunnen evenaren met één lens met een diameter van slechts enkele micrometers. Dergelijke arrays zijn al in de handel verkrijgbaar.
Nielson zegt dat ontwikkelaars de cellen uiteindelijk in een vloeistof kunnen ophangen om een inkt te maken die kan worden afgedrukt op flexibele substraten die zijn bedekt met elektrische contacten om flexibele zonnemodules te creëren.
Bij zonnecellen gaat flexibiliteit meestal ten koste van efficiëntie. Het bedrijf bijvoorbeeld Konarka maakt flexibele zonnecellen van organische materialen, maar deze werken slechts met een rendement van ongeveer 4 procent. We denken dat we zeer efficiënte materialen kunnen gebruiken om dezelfde flexibiliteit te bieden met vijf keer minder oppervlakte, zegt Nielson.
Nielson verwacht het project, dat wordt gefinancierd door het Amerikaanse ministerie van Energie Programma voor zonnetechnologie , om in ongeveer drie jaar modules op te leveren voor militair gebruik (bijvoorbeeld in tenten voor het oogsten van energie en rugzakken). De rest van de markt voor zonne-energie stelt hoge eisen aan de levensduur, dus het kan nog een paar jaar duren om modules te ontwikkelen die duurzaam genoeg zijn. Het nationale laboratorium zal de technologie waarschijnlijk in licentie geven aan een bedrijf nadat het volwassener is geworden.