Mikroskopiska solceller kunde se mer solljus

Forskare vid Sandia National Laboratories har krympt kiselsolceller ner till mikroskalan, vilket öppnar nya möjligheter för förbättrad effektivitet.

Skalande kisel: Dessa nedskalade, hexagonala kiselsolceller sträcker sig från 0,25 till en millimeter i diameter. Linjerna som är synliga på några av dem är elektriska metallkontakter.

Multikristallint kisel, för närvarande guldstandarden för solcellseffektivitet, är dyrt och producerar celler som är tunga och spröda. Sandias mikroskopiska kiselsolceller använder 100 gånger mindre material samtidigt som de arbetar med samma effektivitet.

Förutom lägre materialkostnader innebär den mindre skalan av dessa celler att de kan integreras i kompakta optiska system för billigare ljusspårning och koncentration. Forskare kan till och med suspendera dem i bläck som kan tryckas på plast för att göra effektiva, flexibla silikon-solmoduler.

I mikrosystem letar du efter saker som blir billigare, presterar bättre och får nya funktioner, säger Gregory Nielson, chefsforskare på projektet.

Hittills har Sandia-forskarna satt ihop och testat en enda mikrosolcell som ett principbevis. Men de har börjat testa fungerande solcellsmoduler gjorda av flera små celler och utvecklar tekniker för att sätta ihop dem effektivt.

Sandias celler är mellan 0,25 och en millimeter i diameter. Den största fördelen med att tillverka sådana små celler skulle vara lägre materialkostnader, eftersom de små cellerna kan göras cirka 10 gånger tunnare än konventionella. Vanligtvis måste solceller vara 100 mikrometer tjocka för att stödja sin yta – vanligtvis cirka 15 kvadratcentimeter.

Sandia tillverkar sina celler av kisel som har bearbetats med konventionella kemiska metoder. Forskare skär ut cellerna ur detta kisel med en kemisk etsningsteknik som skapar försumbart avfall. De behandlar skivans yta för att skapa de elektriska egenskaper som är nödvändiga för en fungerande cell och toppar den sedan med metallkontakter. Forskare etsar sedan de översta 10 till 20 mikrometerna av skivans yta med hjälp av kemikalier som bara äter in i en viss del av kristallstrukturen.

De resulterande cellerna är cirka 20 mikrometer tjocka men har samma effektivitet som konventionella celler, och omvandlar cirka 14,9 procent av solljuset till elektrisk energi. Det är också lättare att göra cellerna i en hexagonal form, vilket gör det mesta av den tillgängliga ytan utan att slösa mycket kisel. Materialbesparingarna är en stor sak, säger Nielson.

Silikon och sol: Sandia-forskaren Gregory Nielson håller upp en rad mikroskala, multikristallina kiselsolceller.

Solceller i mikroskala erbjuder nya möjligheter för ljuskoncentration och spårning, vilket ytterligare kan öka cellernas effektivitet. Konventionella spårsystem är stora och tunga och måste förflyttas av motorer. En rad mikrosolceller skulle kunna toppas med en mikrolinsarray som bara behöver röra sig en bråkdel av en millimeter för att spåra solen.

De mikroskopiska cellerna skulle också kunna kombineras med effektivare linser. Istället för Fresnel-linser, som är skrymmande och bara fångar cirka 80 procent av ljuset som träffar dem, skulle mikrocellerna kunna använda refraktiva linser, som fångar 90 procent av det inkommande ljuset. Det är inte praktiskt att använda refraktiva linser med konventionella solceller eftersom sådana linser skulle bli för dyra och skrymmande i den storlek som krävs (ju större linsen är, desto längre bort måste den monteras från cellens yta). Men för Sandia-cellerna kan en brytande mikrolinsuppsättning matcha varje kiselenhet med en lins som bara är några mikrometer i diameter. Sådana arrayer är redan kommersiellt tillgängliga.

Nielson säger att utvecklare så småningom kan suspendera cellerna i en vätska för att göra ett bläck som kan skrivas ut på flexibla substrat belagda med elektriska kontakter för att skapa flexibla solcellsmoduler.

För solceller skadar flexibilitet vanligtvis effektiviteten. Till exempel företaget Konarka gör flexibla solceller av organiska material, men dessa fungerar bara med cirka 4 procents verkningsgrad. Vi tror att vi kan använda högeffektiva material för att ge samma flexibilitet med fem gånger mindre yta, säger Nielson.

Nielson förväntar sig projektet, som finansieras av det amerikanska energidepartementet Solar Technologies Program , för att ge moduler för militär användning (till exempel i energiskördande tält och ryggsäckar) om cirka tre år. Resten av solenergimarknaden har stränga livslängdskrav, så det kan ta ytterligare några år att utveckla moduler som är tillräckligt hållbara. Det nationella labbet kommer sannolikt att licensiera tekniken till ett företag efter att den har blivit mer mogen.

Dölj