211service.com
Zonnecellen om een optische vezel wikkelen
Met kleurstof gesensibiliseerde zonnecellen zijn flexibel en goedkoop te maken, maar ze zijn meestal inefficiënt in het omzetten van licht in elektriciteit. Een manier om de prestaties van een zonnecel te verbeteren, is door het beschikbare oppervlak voor invallend licht te vergroten. Een groep onderzoekers van Georgia Tech heeft daarom kleurstofgevoelige zonnecellen gemaakt met een veel groter effectief oppervlak door de cellen om optische vezels te wikkelen. Deze vezelzonnecellen zijn zes keer efficiënter dan een zinkoxide-zonnecel met hetzelfde oppervlak, en als ze kunnen worden gebouwd met goedkope polymeervezels, hoeven ze niet veel duurder te zijn om te maken.
Zonne op vezel : Een optische vezel (links) is bedekt met met kleurstof gecoate zinkoxide nanodraden (close-up, rechts). Beide afbeeldingen zijn gemaakt met behulp van een scanning elektronenmicroscoop.
Het voordeel van een vezeloptisch zonnecelsysteem ten opzichte van een vlak zonnecelsysteem is dat licht in een optische vezel rondkaatst terwijl deze zich over de lengte ervan voortbeweegt, waardoor er meer mogelijkheden zijn om met de zonnecel op het binnenoppervlak te interageren en meer stroom te produceren. Voor een bepaald onroerend goed is de totale oppervlakte van de cel groter, en een groter oppervlak betekent een betere lichtopbrengst en meer energie, zegt Max Shtein , een assistent-professor materiaalkunde en techniek aan de Universiteit van Michigan die niet bij het onderzoek betrokken was.
Glasvezel-zonnecellen kunnen ook worden gebruikt op manieren die momenteel niet mogelijk zijn. Zhong Lin Wang , hoogleraar materiaalkunde en engineering aan Georgia Tech, zegt dat vezelzonnecellen minder dakoppervlak in beslag zouden nemen dan vlakke cellen, omdat lange vezels in de muren van een huis zouden kunnen worden genesteld als elektrische bedrading.
Kleurstofgevoelige zonnecellen gebruiken kleurstofmoleculen om licht te absorberen en elektronen te genereren. De Georgia Tech-groep verwijdert eerst de bekleding van optische vezels en laat vervolgens zinkoxide-nanodraden langs het oppervlak groeien, zoals borstelharen op een pijpenrager. Vervolgens worden de vezels behandeld met kleurstofmoleculen, die de zinkoxidestructuren absorberen. Het voordeel van het coaten van nanodraden, in plaats van een glad oppervlak, met de kleurstof is dat de draden samen een zeer groot oppervlak hebben. Hoe meer kleurstofmoleculen er zijn over een bepaald gebied van zo'n cel, hoe meer licht het kan absorberen, zegt Wang. De met kleurstof beklede vezels worden vervolgens omgeven door een elektrolyt en een metalen film die elektronen van het apparaat afvoert. Het werk wordt online beschreven in het tijdschrift Internationale editie van Angewandte Chemie .
De vraag is: kun je al het licht absorberen met een kleine hoeveelheid materialen? zegt Yi Cui , assistent-professor materiaalkunde aan de Stanford University. Het bouwen van een nanogestructureerde cel op een optische vezel biedt een manier om dit te doen door zowel het oppervlak dat door de kleurstof wordt bedekt als de effectieve padlengte van het licht te vergroten, zegt hij. Hoe langer een foton door een zonnecel reist, hoe meer mogelijkheden het heeft om te interageren en een elektron te genereren.
Een mogelijk struikelblok voor vezelcellen is om in de eerste plaats voldoende licht erin te krijgen. De apparaten van Wang verzamelen alleen licht aan hun uiteinden, dus om voldoende licht in zo'n zonnecel te krijgen zonder de zon te hoeven volgen, kunnen kleinere vezels samengebundeld worden. Cui zegt dat de uiteinden van de vezels gemaakt kunnen zijn van materialen die zeer effectief zijn in het richten van licht in de vezel. Een andere manier om dit probleem op te lossen, is door vezelcellen te bouwen die licht over hun hele lengte kunnen absorberen, niet alleen aan de uiteinden, waar Shtein uit Michigan aan werkt. Dit is lastig, omdat het betekent dat de coatings van de cellen zowel elektrisch geleidend als transparant moeten zijn, een ongebruikelijke combinatie.
Shtein zegt echter dat vezels die licht van de zijkanten absorberen een interessante architectuur bieden voor het vastleggen van licht, omdat je de vezels in de ruimte kunt verdelen op een manier die je helpt meer fotonen effectiever vast te leggen dan in een vlak apparaat. Hoe ondieper de hoek waaronder licht een vlakke cel raakt, hoe meer licht van het oppervlak weerkaatst. Maar het licht dat onder een kleine hoek van het gebogen oppervlak van een vezel weerkaatst, zal een aangrenzende vezel raken. Deze cellen zouden zo kunnen worden ontworpen dat het niet nodig is ze te installeren met systemen voor het volgen van de zon, en ze zouden werken op bewolkte dagen als het licht diffuus is, zegt Shtein.
Wang zegt dat de volgende stap is om verschillende materialen te proberen. Tot nu toe heeft hij de cellen gebouwd op optische kwartsvezels, die relatief duur zijn. Vervolgens wil hij proberen de cellen te maken met goedkopere polymeervezels.