211service.com
Effektiva, billiga solceller
Ett billigt nytt sätt att fästa speglar på kisel ger mycket effektiva solceller som inte kostar mycket att tillverka. Tekniken kan leda till solpaneler som producerar el för det genomsnittliga elpriset i USA.
Ytterligare reflektion: Denna nya solcell är extremt effektiv men kan tillverkas billigt, tack vare en ny teknik för att fästa speglar på kisel.
Suniva , en startup baserad i Atlanta, har tillverkat solceller som omvandlar cirka 20 procent av energin i solljuset som faller på dem till elektricitet. Det är upp från 17 procent för sina tidigare solceller och nära effektiviteten för de bästa solcellerna på marknaden. Men till skillnad från andra högeffektiva kiselsolceller, säger Ajeet Rohatgi , företagets grundare och tekniska chef, Sunivas tillverkas med lågkostnadsmetoder. En sådan metod är screentryck, en relativt billig process ungefär som silkscreen-processen som används för att trycka T-shirts.
Hittills har de höga kostnaderna för solceller begränsat dem till en marginell roll i kraftproduktionen, som står för mindre än 1 procent av elektriciteten i världen. Rohatgi beräknar att företagets lågkostnadstillverkningstekniker kommer att göra solenergi konkurrenskraftig med konventionella källor och producera el för cirka 8 till 10 cent per kilowattimme – den genomsnittliga kostnaden för el i USA och mycket lägre än priserna på många marknader.
Sunivas celler är effektiva till stor del eftersom de kan fånga ljus och hålla fotoner inne i solcellens aktiva material tills deras energi kan användas för att frigöra elektroner och generera en elektrisk ström. Grundkonceptet med att fånga ljus är inte nytt. Den förlitar sig på texturering av den främre ytan av det lager av kisel som utgör det aktiva materialet i solcellen. Textureringen skapar aspekter som omdirigerar inkommande ljus, bryter det så att det, istället för att passera direkt genom kislet, färdas längs med kiselskiktets längd. Fotonerna stannar alltså längre i materialet och har större chans att absorberas av atomer i materialet. När det händer kan energin i fotonerna frigöra elektroner som används för att generera ström.
Ljusfångning kan förbättras genom att para ihop den strukturerade ytan med ett reflekterande skikt på baksidan av kiselskiktet. Spegeln håller ljuset i solcellen ännu längre, vilket ytterligare ökar antalet frigjorda elektroner. Som en konsekvens kan kislet vara hälften av sin vanliga tjocklek samtidigt som det absorberar samma mängd ljus. Att använda mindre av ett dyrt material minskar kostnaderna direkt. Men det tillåter också solcellstillverkare att nöja sig med billigare, mindre rena former av kisel. I en konventionell solcell, som kan ha ett 200 mikrometer tjockt kiselskikt, kan föroreningar i materialet lätt fånga in elektroner innan de når ytan och flyr för att generera en ström. I ett lager av kisel bara 100 mikrometer tjockt har elektronerna dock ett kortare avstånd att resa, så det är mindre sannolikt att de stöter på en förorening innan de flyr. Kisel av lägre kvalitet är mycket billigare och lättare att tillverka än det högraffinerade kisel som vanligtvis används i solceller.
Vissa företag har redan introducerat produkter som kombinerar en texturerad framsida med en spegelbaksida, och tekniken har visat sig fungera bra i laboratorier i flera år. Men att lägga till det reflekterande skiktet kräver vanligtvis dyr bearbetning och litografi. Rohatgi har utvecklat egenutvecklade material som kan införlivas i solcellerna med hjälp av screentryck. Detta, tillsammans med andra framsteg som förenklar tillverkningsprocessen, gjorde det möjligt för företaget att producera högeffektiva celler till en låg kostnad.
Tonio Buonassisi , professor i maskinteknik vid MIT, säger att Sunivas nya solcell är spännande eftersom det är en demonstration av att några av de högeffektiva teknologier som har arbetats med i flera år i laboratoriet kan tillämpas på marknaden. Han säger att Sunivas beslut att använda sådan teknik är en risk som de flesta andra solcellsföretag har undvikit. Nu när Suniva har utvecklat ett sätt att tillämpa dessa tekniker billigt, förutspår han att andra solcellsföretag kan tvingas göra likadant för att konkurrera.
Visserligen återstår ett betydande arbete innan målet på 8 till 10 cent per kilowatt kan uppnås. Suniva har visat det avgörande första steget, som är att visa att man kan göra solceller som är mer än 20 procent effektiva med hjälp av screentryck. Resultaten har bekräftats av Nationellt laboratorium för förnybar energi , i Golden, CO. Men för de testerna använde Suniva celler med 200 mikrometer tjocka kiselskivor, och för att nå 8 cent per kilowatt krävs 100 mikrometers wafers. Att detta är tekniskt möjligt har konstaterats. Utmaningen ligger i att skaffa stora mängder sådant kisel, eftersom tunna skivor inte är kommersiellt tillgängliga, säger Rohatgi. Dessutom kommer fabriker att behöva omverktygas för att hantera 100 mikrometers celler, vilka maskiner designade för att hantera tjockare wafers kan gå sönder.
Företagets prioritet är nu att skala upp produktionen av sina högeffektiva 200 mikrometers celler, vilket fortfarande kan sänka kostnaden för solenergi. När man väl har etablerat storvolymtillverkning är nästa steg att introducera tunnare wafers, vilket sänker kostnaderna ytterligare.