211service.com
Origami solceller
Ett sätt att pressa ut mer kraft ur solljus är att se till att det alltid träffar en solpanel i den perfekta vinkeln. Detta innebär att antingen spåra solen och manövrera en panel för att möta den, eller att använda komplex optik för att omdirigera solens strålar för att träffa panelens yta ovanifrån.
Vikbart kisel: I dessa bilder viks tre tunna filmer av kisel upp till 3D-former under kraften av ytspänning när vattendroppar placerade i deras centrum avdunstar. Den översta raden visar det första steget, när vattendropparna är stora, och bilderna nedan visar ett tidsförlopp när vattendropparna krymper.
Forskare vid University of Illinois har nu kommit på självmonterande sfäriska solceller som kan fånga mer solljus än platta. Formen är ett enklare sätt att mer utnyttja solens strålar, men har varit svår att realisera i en solcell. Dessa nya solceller i mikroskala är tillverkade med hjälp av konventionell litografi kombinerat med självmontering. Om de visar sig praktiska kan enheterna kopplas in i stora arrayer som har samma effekt som konventionella celler, men som sparar materialkostnader genom att använda mindre kisel.
Istället för en stor platta av halvledare utrustade med koncentrerade linser och motorer för att flytta runt den, vill vi göra kompakta celler som fortfarande har en betydande effekt, säger Ralph Nuzzo , professor i kemi vid University of Illinois i Urbana-Champaign.
Böjda ytor fångar mer ljus än platta eftersom de har en större yta. Men att tillverka solceller som är böjda eller sfäriska är utmanande, säger Nuzzo, eftersom de tekniker som används för att bearbeta halvledande material som kisel fungerar bäst på plana ytor. Nuzzos grupp har övervunnit detta problem genom att göra mikroskaliga 3D-strukturer som självmonteras av platta ark.
Illinois-forskarna börjar med att behandla ytan på en tunn, högkvalitativ kiselwafer och använda konventionell litografi för att etsa ut en tunn, tvådimensionell form. För att göra en sfär skar forskarna kislet till en blomform. De använder sedan ett lim för att fästa en liten bit glas inuti. Glaset hjälper strukturen att behålla sin form när den väl är monterad. Slutligen, när en droppe vatten som placeras i mitten av blomformen förångas, drar ytspänningen upp dess kronblad och för dem så småningom samman till en sfär.
Utmaningen i detta är, hur får man saker att följa den nödvändiga sekvensen av steg för att vika sig till önskad form? säger Nuzzo. Illinois-gruppen kom med matematiska modeller för att hjälpa till att förutsäga de mekaniska egenskaperna hos kiselskivor av olika former och tjocklekar, samt hur de interagerar med vatten, som kan ställas in genom att kemiskt behandla deras ytor.
Nuzzos grupp använde teknikerna för att göra fungerande mikroskopiska sfäriska solceller, som ett bevis på funktionaliteten hos vad han kallar material origami. Innan de skar kislet till kronbladsformen behandlade teamet det för att bilda de ledande områdena som får en solcell att fungera. Efter att blomman hade vikts ihop till en sfär tillsattes elektriska kontakter. Gruppen använde en liknande teknik för att göra cylindriska mikrosolceller också.
Dessa enheter omvandlar bara cirka 1 procent av ljuset som träffar dem till elektricitet – en dålig avkastning för en solcell – men detta är bättre än en plan solcell gjord med samma relativt råa tekniker med samma mängd kisel. Forskarna säger att tekniken kan tillämpas på andra material förutom kisel och kan användas för att göra nya former av solceller. Arbetet beskrivs online denna vecka i Proceedings of the National Academy of Sciences .
Vikning är väldigt tilltalande eftersom du kan göra fantastiska, komplicerade tredimensionella former, säger George Barbastathis , professor i maskinteknik vid MIT.
Det finns andra sätt att förbättra solcellers förmåga att fånga ljus, såsom antireflekterande beläggningar och ytstruktur. Den största fördelen med det nya tillvägagångssättet är att det kräver mindre material, säger Nuzzo. Plana solceller som bara är några mikrometer tjocka kan inte struktureras - det finns helt enkelt inte tillräckligt med material. Och antireflekterande beläggningar ökar tillverkningskostnaderna och komplexiteten. Självmontering, hoppas Nuzzo, skulle kunna erbjuda ett alternativ.
Illinois-gruppen kommer nu att arbeta för att förbättra processen och göra design som ytterligare förbättrar cellernas ljushantering. Vi vill ta fram formfaktorer som förlitar sig på högpresterande material som kisel men ger en betydande ekonomi genom att använda så lite av dessa dyra material som möjligt, säger Nuzzo.