211service.com
Manipulerar ljus till dubbel solenergi
De flesta solpaneler omvandlar mindre än 20 procent av energin i solljuset som faller på dem till elektricitet. Ett nytt projekt på 2,4 miljoner dollar finansierat av U.S.A. Advanced Research Projects Agency for Energy syftar till att kraftigt öka mängden solljus som blir elektricitet. Dess mål är en konverteringseffektivitet på mer än 50 procent, vilket skulle mer än fördubbla mängden energi som genereras av en solpanel av en given storlek. Detta skulle halvera antalet solpaneler som behövs och potentiellt göra solenergin mer konkurrenskraftig med fossila bränslen.
I den nya forskningssatsningen planerar Harry Atwater, professor i tillämpad fysik och materialvetenskap vid Caltech, att använda exakt strukturerade material för att sortera solljus i åtta till tio olika färger och rikta dem till solceller med halvledare som är perfekt anpassade till varje färg . Som ett resultat kommer mer av solspektrumet att absorberas, och energin som finns i varje del av spektrumet kommer att omvandlas till elektricitet snarare än värme.
Den allmänna idén om att sortera solljus efter färg är inte ny. Ett tillvägagångssätt involverar att odla flera halvledarmaterial i en stapel – ljus rör sig genom stapeln tills det absorberas av en halvledare som kan omvandla det effektivt. Detta tillvägagångssätt har gett kommersiella solceller med verkningsgrader på över 43 procent. Men processen för att tillverka sådana solceller är dyr, och enhetens effekt begränsas av det sämst presterande lagret.
Andra har försökt sortera ljus i olika färger med hjälp av konventionella linser, speglar och filter, men prototyperna har varit skrymmande och har inte nått särskilt hög effektivitet, delvis på grund av optikens oexakthet – det har visat sig svårt att rikta exakt rätt ljusets våglängder till varje solcell. Det har också varit svårt att dela upp ljuset i mer än ett par olika färger i en enhet.
Men under de senaste åren har forskare blivit bättre på att manipulera ljus i mycket liten skala, sortera det efter färg, fånga det och leda det från en plats till en annan med tunna lager av material som innehåller små detaljer som ofta är mindre än ljusets våglängd. Atwater planerar att dra nytta av dessa framsteg för att manipulera ljuset exakt och i ett kompakt platt paket som kanske inte ser så mycket annorlunda ut än en konventionell solpanel. Ett lager skulle dela upp ljuset, sortera det efter färg och sedan leverera det till ett andra lager som innehåller en rad solceller som matchar varje färg.
Utmaningen med detta tillvägagångssätt är att ingen tillverkar dessa exakt strukturerade material över de stora ytorna och i de stora volymer som behövs inom solcellsindustrin. Men Atwater jämför enheten med en platt-TV, som i sig är en sofistikerad enhet för att manipulera ljus, med sina miljontals transistorer för att slå på och av olika färgade pixlar.
De första som kom ut var många tusen dollar och hade defekter. Nu kan du få en för mindre än hundra dollar som i princip är perfekt, och kostnaderna går ner hela tiden, säger han. Platta skärmar är ett exempel på något som är i skalan av en solpanel, men är otroligt komplexa optoelektroniska kretsar. Det vi föreslår är primitivt med den standarden.
Atwater säger att de tillverkningsverktyg som behövs för att göra hans nanostrukturerade material börjar komma ut på marknaden. De kommer dock att förbli dyra så länge produktionsvolymerna är låga. Forskare närmar sig också möjligheten att göra tunna wafers av olika halvledare och överföra dem till en enhet som den han föreställer sig.