211service.com
Kiselnanokristaller för supereffektiva solceller
En typisk solcell genererar bara en elektron per foton av inkommande solljus. Vissa exotiska material tros producera flera elektroner per foton, men för första gången har samma effekt setts i kisel. Forskare vid Nationella laboratoriet för förnybar energi (NREL), i Golden, CO, visade att nanokristaller av kisel kan producera två eller tre elektroner per foton av högenergiskt solljus. Effekten, säger de, kan leda till en ny typ av solcell som är både billig och mer än dubbelt så effektiv som dagens typiska solceller.
Soppat kisel: Ett mikrofotografi av en bit av kristallint kisel på sju nanometer, kallad nanokristall eller kvantprick. Sådana strukturer kan dramatiskt öka effektiviteten hos solceller.
Liksom i tidigare arbete med andra material kommer de extra elektronerna från fotoner av blått och ultraviolett ljus, som har mycket mer energi än de från resten av solspektrumet, särskilt rött och infrarött ljus. I de flesta solceller går den extra energin i blått och ultraviolett ljus till spillo som värme. Men den lilla storleken på kristaller i nanoskala, även kallade kvantprickar, leder till nya kvantmekaniska effekter som istället omvandlar denna energi till elektroner.
Genom att generera flera elektroner från högenergifotoner kan solceller gjorda av kiselnanokristaller teoretiskt omvandla mer än 40 procent av energin i ljus till elektrisk kraft, säger Arthur Nozik, en senior forskare vid NREL. Däremot är dagens platta taksolpaneler i bästa fall drygt 20 procent effektiva och är teoretiskt begränsade till cirka 30 procents effektivitet. Att koncentrera solljus med speglar eller linser kan höja den siffran till cirka 40 procent, men samma tillvägagångssätt kan öka effektiviteten hos en kisel-nanokristallsolcell till långt över 60 procent, säger Nozik.
Dessutom kan solceller gjorda av kiselnanokristaller visa sig vara billiga, vilket ger dem en betydande fördel jämfört med andra metoder för högeffektiva solceller. Till exempel har avancerade multijunction-celler visat effektivitet på mer än 40 procent. Men dessa kräver komplicerade tillverkningsprocesser som kombinerar dyra halvledare optimerade för olika delar av solspektrumet. Kiselnanokristaller är däremot relativt lätta att tillverka, även jämfört med materialet i konventionella solceller, varav de bästa är gjorda av mycket stora enkristaller av kisel.
Kiselnanokristaller har också markanta fördelar jämfört med andra nanokristallmaterial som har visat multielektroneffekten. Vissa av dessa material innehåller giftiga ämnen som bly eller kadmium, och andra är beroende av ämnen som indium som finns i begränsad tillgång. Men kisel är både säkert och rikligt. Det är också väl studerat, säger Christiana Honsberg , professor i el- och datorteknik vid University of Delaware, så ingenjörer vet hur man arbetar med det för att göra solceller. Sannerligen, av många av samma skäl är kisel det överlägset vanligaste materialet i solceller idag, och det är attraktivt som grunden för en bredare utbyggnad av solceller i framtiden.
Innan NREL-arbetet hade forskare trott att kiselkristaller som är små nog för att producera multielektroneffekten skulle vara opraktiska som ett fotovoltaiskt material. På nanoskala förändras de optiska egenskaperna hos kisel så att det omvandlar mindre ljus från den röda änden av spektrumet till elektroner. Som ett resultat skulle eventuella vinster från att mer effektivt omvandla blått och ultraviolett ljus kompenseras. Nozik och hans kollegor fann att nanokristallerna inte behövde vara så små som man tidigare trott, vilket motverkar detta problem.
För att vara säker är NREL-arbetet bara ett första steg. Att göra solceller som drar fördel av multielektrongenerering är en utmaning. Det beror på att de extra elektronerna är mycket kortlivade, vilket gör det svårt att extrahera dem från nanokristallerna för att generera en elektrisk ström. Detta har faktiskt visat sig så svårt att bevis för effekten har kommit från indirekta metoder som spektroskopi snarare än från ström som genereras av en solcell. Användningen av de indirekta åtgärderna har fått några framstående experter att ifrågasätta om de extra elektronerna faktiskt produceras, även om Nozik säger att effekten har bekräftats med hjälp av flera tekniker. Nozik och hans kollegor arbetar nu med att göra solceller av kiselnanokristaller – de utforskar ett antal nya konstruktioner – och han säger att de nyligen har gjort direkta mätningar som indikerar att deras celler släpper ut flera elektroner per absorberad foton. (Deras resultat har ännu inte publicerats.)
Honsberg är försiktigt optimistisk och kallar upptäckten av multipelelektroneffekten i kiselnanokristaller ett genombrott, men bara ett genombrott av kanske tre eller fyra som behövs för att producera billiga, supereffektiva solceller.