Reka Bentuk Baru Boleh Meningkatkan Sel Suria Melebihi Had-hadnya


Selimut matahari Bumi dengan cukup foton setiap jam untuk memenuhi keperluan tenaga seluruh dunia selama setahun. Persoalannya adalah bagaimana untuk mengukuhkannya dengan cekap ke dalam elektrik. Walaupun di bawah keadaan makmal kecil, sel solar tunggal junction terbaik di dunia – jenis yang terdapat di kebanyakan panel solar – masih maksima untuk menangkap 29 peratus tenaga matahari. Yang meletakkan mereka hanya malu dari batas keras kira-kira satu pertiga yang penyelidik solar dikira setengah abad yang lalu. Tetapi ahli-ahli sains yang mempelajari photovoltaics-proses yang mana sinar matahari ditukar kepada elektrik-juga telah lama disyaki bahawa had ini tidak begitu keras seperti yang pernah dilihatnya.

Siling pada kecekapan sel solar, yang dikenali sebagai had Shockley-Queisser, adalah antara 29 dan 33 peratus, bergantung kepada cara anda mengukurnya. Ia menganggap satu sel simpang, yang bermaksud ia menggunakan hanya satu jenis semikonduktor dan diberi tenaga oleh cahaya matahari langsung. Untuk hidung melepasi batas, para penyelidik telah mencuba menyusun pelbagai jenis semikonduktor atau menggunakan kanta untuk menumpukan cahaya supaya sel menerima ratusan kali lebih kuat dari matahari. Awal tahun ini, Makmal Tenaga Terbaharu Negara menetapkan rekod dunia apabila menggunakan sel solar enam junction dan balok 143 kali lebih tertumpu daripada cahaya matahari untuk mencapai kecekapan tenaga sebanyak 47.1 peratus.

Tetapi teknologi ini tidak akan digunakan pada skala. Alasannya, kata Marc Baldo, seorang profesor kejuruteraan elektrik dan sains komputer di MIT, adalah bahawa sel-sel solar multilayer kecekapan ultra tinggi ini terlalu rumit dan mahal untuk dihasilkan sebagai panel solar. Untuk benar-benar mendapatkan lebih banyak tenaga solar di grid elektrik memerlukan memikirkan bagaimana untuk melanda batas Shockley-Queisser dengan persimpangan tunggal, sel solar berasaskan silikon, yang agak mudah dan murah untuk menghasilkan. Lebih baik lagi akan mencari jalan untuk mengatasi had yang lebih tinggi. Dan selepas satu dekad kerja, Baldo dan rakan-rakannya akhirnya mungkin tahu bagaimana.

Seperti yang terperinci di dalam kertas yang diterbitkan minggu lalu di Alam semula jadi, Pasukan Baldo menyalurkan sel suria dalam lapisan tetrasena nipis, sebuah molekul organik yang secara berkesan dapat memisahkan foton yang masuk dalam dua. Proses ini dikenali sebagai pembasmian exciton dan bermakna sel solar mampu menggunakan foton tenaga tinggi dari bahagian biru-hijau spektrum yang kelihatan.

Inilah cara ia berfungsi. Sel suria silikon menjana arus elektrik dengan menggunakan foton masuk untuk mengetuk elektron dari silikon ke dalam litar. Berapa banyak tenaga yang diperlukan? Ia bergantung kepada sifat bahan yang dikenali sebagai bandgap. Bandgap silikon sepadan dengan foton inframerah, yang membawa sedikit tenaga daripada foton di bahagian yang terlihat dari spektrum elektromagnetik. Tumpuan foton di luar silikon pada dasarnya akan membazir. Tetapi di sinilah tetracene datang: Ia memecah foton biru-hijau menjadi dua "paket" tenaga yang masing-masing setara dengan foton inframerah. Oleh itu, setiap foton inframerah mengetuk satu elektron percuma, satu foton dalam spektrum biru-hijau boleh mengetuk dua elektron bebas. Ia pada dasarnya mendapat dua foton untuk harga satu.

Sel baru ini merupakan pendekatan yang baru pada truism yang terkenal dalam penyelidikan photovoltaics: Jika anda mahu melepasi batas Shockley-Queisser, anda perlu menangkap tenaga daripada rangkaian photon suria yang lebih luas. Kerana sel ini tidak bergantung kepada timbunan bahan yang mahal dengan bandgap yang berbeza untuk memperluaskan jangkauannya, ia mungkin akhirnya lebih praktikal juga. Baldo mengatakan bahawa menggunakan tetracene dapat membendung had kecekapan tenaga teoritis sehingga 35 peratus-lebih tinggi daripada yang pernah difikirkan mungkin untuk sel tunggal simpang.

Walaupun penambahan tetracene secara konseptual mudah, pelaksanaannya kurang begitu. Alasannya, kata Baldo, ialah jika anda meletakkan tetracene secara langsung ke silikon, mereka berinteraksi sedemikian rupa sehingga membunuh pertuduhan elektrik. Cabaran untuk Baldo dan rakan-rakannya mencari bahan yang boleh dicampur antara dua bahan untuk membolehkan paket tenaga mengalir dari tetracene ke silikon. Sastera teoretikal memberi mereka sedikit panduan, jadi pasukan terlibat dalam proses percubaan dan kesilapan yang panjang untuk mencari bahan antara muka yang tepat. Ini ternyata lapisan hafnium oxynitride hanya lapan atom tebal.

Tetapi sel ini belum mencapai rekod apa pun. Kecekapannya adalah kira-kira 6 peratus dalam ujian, jadi ia jauh ke hadapan sebelum ia dapat bersaing dengan sel solar silikon sedia ada, apalagi muncul di atas bumbung. Tetapi kerja ini hanya dimaksudkan sebagai bukti konsep pembasmian exciton dalam sel suria. Untuk meningkatkan kecekapan sel lebih tinggi, kata Baldo, akan memerlukan beberapa kerja kejuruteraan untuk mengoptimumkannya untuk melepaskan pembelahan.

Dalam pengertian ini, apa yang ditunjukkan oleh pasukan MIT bukanlah teknologi yang kompetitif, tetapi satu lagi cara untuk melampaui had fotovoltaik yang sedia ada, kata Joseph Berry, seorang saintis kanan di Makmal Tenaga Diperbaharui Kebangsaan. "Apa yang menarik di sini ialah ini adalah pendekatan yang berbeza dari fotovoltaik tradisional," katanya. "Ia merupakan idea yang telah lama wujud, tetapi belum diterjemahkan ke dalam apa-apa jenis peranti berfungsi."

Berry dan rakan-rakannya di NREL sedang meneroka cara lain untuk memajukan kecekapan sel solar tanpa kerumitan tambahan dan kos sel pelbagai junction. Salah satu arah yang paling menjanjikan yang diterokai oleh Berry ialah sel perovskite, yang menggunakan bahan-bahan sintetik yang mempunyai ciri-ciri struktur yang mirip dengan Perovskite mineral yang terjadi secara semula jadi. Sel solar pertama perovskite hanya dihasilkan satu dekad yang lalu, tetapi sejak itu mereka telah menyaksikan keuntungan kecekapan terpantas mana-mana jenis sel solar setakat ini.

Sel perovskite mempunyai beberapa kelebihan berbanding sel solar silikon tradisional, kata Berry, khususnya toleransi terhadap kecacatan bahan. Hanya beberapa zarah yang tidak diingini pada sel solar silikon boleh menyebabkannya tidak berguna, tetapi bahan perovskite masih berfungsi dengan baik walaupun mereka tidak sempurna. Mereka juga mengendalikan tenaga fotonik dengan lebih cekap daripada silikon. Sesungguhnya, salah satu sebab utama silikon telah menguasai teknologi sel solar bukanlah kerana ia adalah bahan terbaik untuk pekerjaan itu, tetapi semata-mata kerana para saintis tahu begitu banyak mengenainya kerana penggunaannya secara meluas dalam teknologi digital.

Setakat ini, tiada satu pun sel-sel solar generasi akan datang yang menemui jalan mereka ke dalam produk komersial. Hampir semua panel solar yang sedang beroperasi menggunakan sel silikon tunggal lapisan tradisional, yang telah terbukti dapat menahan unsur-unsur selama beberapa dekad. Mendapatkan panel solar berasaskan perovskite ke dalam bidang akan memerlukan menunjukkan bahawa ia stabil dan boleh bertahan selama 20 tahun atau lebih. Berry berkata beberapa syarikat telah menggunakan panel perovskite berskala kecil, yang beliau berharap akan membuka jalan bagi penggunaan lebih luas di jalan raya.

Melihat kepada masa depan, Berry berkata ia difikirkan bahawa teknologi pelepasan exciton yang sedang dibangunkan di MIT dapat digabungkan dengan sel solar perovskite untuk meningkatkan kecekapan mereka. "Ia bukan sama ada / atau cadangan," kata Berry, tetapi pembasmian pertama kali harus membuktikan bahawa ia cukup cekap untuk aplikasi dunia sebenar. Pada akhirnya, mendapatkan lebih banyak cahaya matahari di grid kemungkinan akan melibatkan satu rangkaian teknologi solar, masing-masing dengan kelebihannya sendiri.


Lebih Banyak KERETAIAN WIRED