211service.com
Origami zonnecellen
Een manier om meer kracht uit zonlicht te persen, is ervoor te zorgen dat het altijd onder de ideale hoek op een zonnepaneel valt. Dit betekent ofwel de zon volgen en een paneel manoeuvreren om het onder ogen te zien, of complexe optica gebruiken om de zonnestralen om te leiden om het oppervlak van het paneel van bovenaf te raken.
Opvouwbare siliconen: In deze afbeeldingen vouwen drie dunne films van silicium zich op tot 3D-vormen onder de kracht van oppervlaktespanning terwijl waterdruppels in hun midden verdampen. De bovenste rij toont de eerste stap, wanneer de waterdruppels groot zijn, en de afbeeldingen eronder laten een tijdsverloop zien naarmate de waterdruppels krimpen.
Onderzoekers van de Universiteit van Illinois hebben nu zelfassemblerende bolvormige zonnecellen bedacht die meer zonlicht kunnen opvangen dan platte. De vorm is een eenvoudigere manier om meer gebruik te maken van de zonnestralen, maar was moeilijk te realiseren in een zonnecel. Deze nieuwe zonnecellen op microschaal zijn gemaakt met behulp van conventionele lithografie in combinatie met zelfassemblage. Als ze praktisch blijken te zijn, kunnen de apparaten worden aangesloten op grote arrays die hetzelfde vermogen hebben als conventionele cellen, maar die materiaalkosten besparen door minder silicium te gebruiken.
In plaats van een grote plak halfgeleider uitgerust met concentrerende lenzen en motoren om het te verplaatsen, willen we compacte cellen maken die nog steeds een aanzienlijk vermogen hebben, zegt Ralph Nuzzo , hoogleraar scheikunde aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign.
Gebogen oppervlakken vangen meer licht op dan platte omdat ze een groter oppervlak hebben. Maar het maken van gebogen of bolvormige zonnecellen is een uitdaging, zegt Nuzzo, omdat de technieken die worden gebruikt om halfgeleidende materialen zoals silicium te verwerken het beste werken op platte oppervlakken. Nuzzo's groep heeft dit probleem overwonnen door 3D-structuren op microschaal te maken die zichzelf assembleren uit vlakke platen.
De Illinois-onderzoekers beginnen met het behandelen van het oppervlak van een dunne, hoogwaardige siliciumwafel en gebruiken conventionele lithografie om een dunne, tweedimensionale vorm uit te etsen. Om een bol te maken, sneden de onderzoekers het silicium in een bloemvorm. Vervolgens gebruiken ze een lijm om een klein stukje glas binnenin vast te zetten. Het glas helpt de structuur zijn vorm te behouden zodra deze is gemonteerd. Ten slotte, als een druppel water in het midden van de bloemvorm verdampt, trekt de oppervlaktespanning de bloembladen omhoog, waardoor ze uiteindelijk samenkomen om een bol te vormen.
De uitdaging hierbij is, hoe zorg je ervoor dat dingen de noodzakelijke volgorde van stappen volgen om in de gewenste vorm te vouwen? zegt Nuzzo. De Illinois-groep kwam met wiskundige modellen om de mechanische eigenschappen van siliciumplaten van verschillende vormen en diktes te voorspellen, evenals hoe ze omgaan met water, dat kan worden afgestemd door hun oppervlakken chemisch te behandelen.
Nuzzo's groep gebruikte de technieken om functionerende microscopisch kleine bolvormige zonnecellen te maken, als bewijs van de functionaliteit van wat hij materialen origami noemt. Voordat het silicium in de vorm van een bloemblad werd gesneden, behandelde het team het om de geleidende gebieden te vormen die een zonnecel laten werken. Nadat de bloem tot een bol was opgevouwen, werden elektrische contacten toegevoegd. De groep gebruikte een vergelijkbare techniek om ook cilindrische micro-zonnecellen te maken.
Deze apparaten zetten slechts ongeveer 1 procent van het licht dat erop valt om in elektriciteit - een slecht rendement voor een zonnecel - maar dit is beter dan een vlakke zonnecel die is gemaakt met dezelfde relatief ruwe technieken met dezelfde hoeveelheid silicium. De onderzoekers zeggen dat de techniek kan worden toegepast op andere materialen dan silicium, en zou kunnen worden gebruikt om nieuwe vormen van zonnecellen te maken. Het werk wordt deze week online beschreven in de Proceedings van de National Academy of Sciences .
Vouwen is erg aantrekkelijk omdat je fantastische, gecompliceerde driedimensionale vormen kunt maken, zegt George Barbastathis , hoogleraar werktuigbouwkunde aan het MIT.
Er zijn andere manieren om het vermogen van zonnecellen om licht te vangen te verbeteren, zoals antireflecterende coatings en oppervlaktetextuur. Het grote voordeel van de nieuwe aanpak is dat er minder materiaal nodig is, zegt Nuzzo. Planaire zonnecellen van slechts een paar micrometer dik kunnen niet worden getextureerd - er is gewoon niet genoeg materiaal. En antireflecterende coatings voegen meer productiekosten en complexiteit toe. Zelfmontage, hoopt Nuzzo, zou een alternatief kunnen bieden.
De Illinois-groep zal nu werken aan het verbeteren van het proces en ontwerpen maken die het lichtbeheer van de cellen verder verbeteren. We willen vormfactoren naar voren halen die afhankelijk zijn van hoogwaardige materialen zoals silicium, maar een substantiële besparing opleveren door zo min mogelijk van deze dure materialen te gebruiken, zegt Nuzzo.