Nye design kan øke solceller utover sine grenser


Solenhetene Jorden med nok fotoner hver time for å møte verdens energibehov for et år. Spørsmålet er hvordan man effektivt konverterer dem til elektrisitet. Selv under små laboratorieforhold, er verdens beste single-junction solceller – den typen som finnes i de fleste solcellepaneler – fortsatt høyt ute ved å fange 29 prosent av solens energi. Det setter dem bare sjenert av den harde grensen på om lag en tredjedel som solforskere beregnet et halvt århundre siden. Men forskere som studerer fotovoltaikk-prosessen hvor sollys er omgjort til elektrisitet – har også lenge antatt at denne grensen ikke er så vanskelig som den en gang virket.

Taket på solcelleffektivitet, kjent som Shockley-Queisser-grensen, er mellom 29 og 33 prosent, avhengig av hvordan du måler det. Den antar en enkeltkryssingscelle, noe som betyr at den er laget ved å bruke bare én type halvleder og strømmer i direkte sollys. For å nese forbi grensen, har forskere forsøkt å stable flere typer halvledere eller ved hjelp av linser for å konsentrere lys, slik at cellen får et blast hundrevis av ganger kraftigere enn solen. Tidligere i år satte National Renewable Energy Lab en verdensrekord når den brukte en seks-krysset solcelle og en stråle 143 ganger mer konsentrert enn sollys for å oppnå en fullstendig 47,1 prosent energieffektivitet.

Men denne teknologien vil aldri bli distribuert i målestokk. Årsaken, sier Marc Baldo, professor i elektroteknikk og datavitenskap ved MIT, er at disse ultrahøyeffektive, flerlags solceller er altfor komplekse og dyre å produsere som solcellepaneler. For å få mer solvarme på elnettet, må du finne ut hvordan du kan treffe Shockley-Queisser-grensen med enkeltkryss, silisiumbaserte solceller, som er relativt enkelt og billig å produsere. Bedre enn ville være å finne en måte å støte på grensen høyere. Og etter et tiår med arbeid, kan Baldo og hans kolleger endelig ha funnet ut hvordan.

Som beskrevet i et papir utgitt i forrige uke i Natur, Baldo's team har belagt solceller i et tynt lag av tetracen, et organisk molekyl som effektivt splitter innkommende fotoner i to. Denne prosessen er kjent som exciton fission og betyr at solcellen kan bruke høy energi fotoner fra den blågrønne delen av det synlige spektret.

Slik fungerer det. Silisium solceller genererer en elektrisk strøm ved å bruke innkommende fotoner for å banke elektroner fra silisium til en krets. Hvor mye energi tar det? Det avhenger av en egenskap av materialet kjent som dets bandgap. Silikons bandgap tilsvarer infrarøde fotoner, som bærer mindre energi enn fotoner i den synlige delen av det elektromagnetiske spektret. Fotoner utenfor silisiums bandgap går i utgangspunktet bort. Men her er der tetracenen kommer inn: Den splitter blågrønne fotoner i to "pakker" av energi som hver tilsvarer et infrarødt foton. Så i stedet for at hvert infrarødt foton banker på en eneste elektron, kan en enkelt foton i det blågrønne spekteret slå av to elektroner. Det er egentlig å få to fotoner for prisen på en.

Denne nye cellen representerer en fundamentalt ny tilnærming til en kjent truism i fotovoltaisk forskning: Hvis du vil passere Shockley-Queisser-grensen, må du fange energi fra et bredere utvalg av solfotoner. Fordi denne cellen ikke stole på en dyr stabel av materialer med forskjellige bandgap for å utvide rekkevidden, kan det til slutt også være praktisk. Baldo sier at bruk av tetracene kunne bremse den teoretiske energieffektivitetsgrensen opptil 35 prosent høyere enn det var mulig å tenke for enkeltkryssceller.

Selv om tilsetningen av tetracen er konseptuelt enkel, var implementeringen mindre. Årsaken, sier Baldo, er at hvis du setter tetracen direkte på silisium, samhandler de på en slik måte at drænger den elektriske ladningen. Utfordringen for Baldo og hans kolleger var å finne et materiale som kunne knuses mellom de to materialene for å tillate at energipakkene strømmer fra tetracen til silisium. Den teoretiske litteraturen ga dem liten veiledning, slik at laget engasjerte seg i en langvarig prøveprosess for å finne det riktige grensesnittet. Dette viste seg å være et lag av hafnium oksynitrid bare åtte atomer tykk.

Men denne cellen har ikke bested noen poster ennå. Dens effektivitet var rundt 6 prosent i tester, så det har en lang vei å gå før den kan konkurrere mot eksisterende silisium solceller, enda mindre vise seg på et tak. Men dette arbeidet var bare ment som et bevis på begrepet exciton fisjon i en solcelle. For å bremse cellens effektivitet høyere, sier Baldo, vil kreve noe ingeniørarbeid for å optimalisere det for exciton fisjon.

I denne forstand, det som MIT-teamet viste, var ikke så mye en konkurransedyktig teknologi, men en ny takk for å gå utover grensene for eksisterende fotovoltaik, sier Joseph Berry, seniorforsker ved National Renewable Energy Laboratory. "Det er kult her er at dette er en fundamentalt forskjellig tilnærming fra tradisjonelle fotovoltaik," sier han. "Det er en ide som har eksistert lenge, men hadde ikke blitt oversatt til noen form for funksjonell enhet."

Berry og hans kollegaer på NREL utforsker andre måter å fremme solcelleffektivitet uten den ekstra kompleksiteten og kostnaden av multi-junction celler. En av de mest lovende retningene som utforskes av Berry, er perovskittceller, som bruker syntetiske materialer som har strukturelle egenskaper som ligner på det naturlig forekommende mineralske Perovskite. De første perovskite solceller ble produsert for ti år siden, men siden da har de vært vitne til de raskeste effektivitetsgevinstene av en hvilken som helst type solcelle til dags dato.

Perovskite-celler har en rekke fordeler i forhold til tradisjonelle silisiumsolceller, sier Berry, særlig deres toleranse for materialdefekter. Bare noen få uønskede partikler på en silisium solcelle kan gjøre det ubrukelig, men perovskite materialer fungerer fortsatt bra, selv om de ikke er perfekte. De håndterer også fotonisk energi mer effektivt enn silisium. Faktisk er en av hovedårsakene til at silisium har dominert solcelleteknologi ikke fordi det er det beste materialet for jobben, men bare fordi forskere vet så mye om det på grunn av sin utbredt bruk i digital teknologi.

Hittil har ingen av disse neste generasjons solceller funnet seg inn i kommersielle produkter. Nesten alle solcellepanelene som er i bruk, bruker tradisjonelle enkeltlags silikonceller, som har vist seg å tåle elementene i flere tiår. Å få perovskite-baserte solcellepaneler i feltet vil kreve at de er stabile og kan vare i 20 eller flere år. Berry sier at en rekke selskaper allerede har distribuert småskala perovskite-paneler, som han håper vil bane vei for bredere adopsjon nedover veien.

Ser frem til fremtiden, sier Berry det er tenkelig at exciton fissionsteknologien under utvikling ved MIT kan kombineres med perovskite solceller for å øke effektiviteten. "Det er ikke en eller en proposisjon," sier Berry, men første exciton fisjon må bevise at den er effektiv nok til virkelige applikasjoner. Til syvende og sist vil det være sannsynlig at det blir mer sollys på rutenett med en serie solteknologi, hver med sine egne fordeler.


Flere flotte WIRED-historier