211service.com
Linda solceller runt en optisk fiber
Färgsensibiliserade solceller är flexibla och billiga att tillverka, men de tenderar att vara ineffektiva på att omvandla ljus till elektricitet. Ett sätt att öka prestandan hos en solcell är att öka den tillgängliga ytan för inkommande ljus. Så en grupp forskare vid Georgia Tech har gjort färgsensibiliserade solceller med en mycket högre effektiv yta genom att linda cellerna runt optiska fibrer. Dessa fibersolceller är sex gånger mer effektiva än en zinkoxidsolcell med samma yta, och om de kan byggas med billiga polymerfibrer borde de inte vara avsevärt dyrare att tillverka.
Sol på fiber : En optisk fiber (vänster) är täckt av färgbelagda zinkoxidnanotrådar (närbild, höger). Båda bilderna togs med hjälp av ett svepelektronmikroskop.
Fördelen med ett fiberoptiskt solcellssystem framför ett plant är att ljus studsar runt inuti en optisk fiber när den färdas längs dess längd, vilket ger fler möjligheter att interagera med solcellen på dess inre yta och producera mer ström. För en given fastighet är den totala ytan av cellen högre, och ökad yta innebär förbättrad ljusskörd och mer energi, säger Max Shtein , en biträdande professor i materialvetenskap och ingenjörskonst vid University of Michigan som inte var involverad i forskningen.
Fiberoptiska solceller kan också användas på sätt som för närvarande inte är möjliga. Zhong Lin Wang , professor i materialvetenskap och ingenjörskonst vid Georgia Tech, säger att fibersolceller skulle ta upp mindre takyta än plana celler eftersom långa längder av fibrerna kunde läggas in i väggarna i ett hus som elektriska ledningar.
Färgsensibiliserade solceller använder färgämnesmolekyler för att absorbera ljus och generera elektroner. Georgia Tech-gruppen tar först bort beklädnaden från optiska fibrer och odlar sedan nanotrådar av zinkoxid längs deras yta, som borst på en piprensare. Därefter behandlas fibrerna med färgämnesmolekyler, som zinkoxidstrukturerna absorberar. Fördelen med att belägga nanotrådar, snarare än en slät yta, med färgämnet är att trådarna tillsammans har en mycket stor yta. Ju fler färgämnesmolekyler det finns över ett givet område av en sådan cell, desto mer ljus kan den absorbera, säger Wang. De färgbelagda fibrerna omges sedan av en elektrolyt och en metallfilm som transporterar bort elektroner från enheten. Arbetet beskrivs online i tidskriften Angewandte Chemie International Edition .
Frågan är om du kan absorbera allt ljus med en liten mängd material? säger Yi Cui , biträdande professor i materialvetenskap vid Stanford University. Att bygga en nanostrukturerad cell på en optisk fiber ger ett sätt att göra detta genom att öka både ytan som täcks av färgämnet och ljusets effektiva väglängd, säger han. Ju längre en foton färdas genom en solcell, desto fler möjligheter har den att interagera och generera en elektron.
En potentiell stötesten för fiberceller är att få tillräckligt med ljus inuti dem i första hand. Wangs enheter samlar bara in ljus vid sina spetsar, så för att få in tillräckligt med ljus i en sådan solcell utan att behöva spåra solen kan mindre fibrer buntas ihop. Cui säger att spetsarna på fibrerna kan vara gjorda av material som är mycket effektiva för att rikta ljus in i fibern. Ett annat sätt att övervinna detta problem är att bygga fiberceller som kan absorbera ljus längs hela sin längd, inte bara vid spetsarna – som Michigans Shtein arbetar med. Detta är knepigt, eftersom det betyder att cellernas beläggningar måste vara både elektriskt ledande och transparenta, en ovanlig kombination.
Men Shtein säger att fibrer som absorberar ljus från sidorna erbjuder en intressant arkitektur för ljusfångning, eftersom du kan fördela fibrerna i rymden på ett sätt som hjälper dig att fånga fler fotoner mer effektivt än du kan i en plan enhet. Ju grundare vinkeln är i vilken ljus träffar en plan cell, desto mer ljus reflekteras från dess yta. Men ljuset som reflekteras från den krökta ytan av en fiber i en ytlig vinkel kommer att träffa en intilliggande fiber. Dessa celler kan utformas så att det inte är nödvändigt att installera dem med solspårningssystem, och de skulle fungera på molniga dagar när ljuset är diffust, säger Shtein.
Wang säger att nästa steg är att prova olika material. Hittills har han byggt cellerna på optiska kvartsfibrer, som är relativt dyra. Därefter planerar han att försöka tillverka cellerna med billigare polymerfibrer.