211service.com
Silīcija nanokristāli īpaši efektīvām saules baterijām
Tipiska saules baterija ģenerē tikai vienu elektronu uz katru ienākošās saules gaismas fotonu. Tiek uzskatīts, ka daži eksotiski materiāli rada vairākus elektronus uz fotonu, taču pirmo reizi tāds pats efekts ir novērots silīcijā. Pētnieki pie Nacionālā atjaunojamās enerģijas laboratorija (NREL) Golden, CO, parādīja, ka silīcija nanokristāli var ražot divus vai trīs elektronus uz vienu augstas enerģijas saules gaismas fotonu. Viņi saka, ka efekts varētu radīt jauna veida saules baterijas, kas ir gan lētas, gan vairāk nekā divas reizes efektīvākas nekā mūsdienu tipiskā fotoelementa.
Sasmalcināts silīcijs: Septiņu nanometru kristāliskā silīcija gabala mikrogrāfs, ko sauc par nanokristālu vai kvantu punktu. Šādas struktūras varētu ievērojami palielināt saules bateriju efektivitāti.
Tāpat kā iepriekšējā darbā ar citiem materiāliem, papildu elektroni nāk no zilās un ultravioletās gaismas fotoniem, kuriem ir daudz vairāk enerģijas nekā no pārējā saules spektra, īpaši sarkanās un infrasarkanās gaismas. Lielākajā daļā saules bateriju papildu enerģija zilajā un ultravioletajā gaismā tiek iztērēta kā siltums. Taču nanomēroga kristālu, sauktu arī par kvantu punktiem, mazais izmērs rada jaunus kvantu mehāniskos efektus, kas šo enerģiju pārvērš elektronos.
Ģenerējot vairākus elektronus no augstas enerģijas fotoniem, saules baterijas, kas izgatavotas no silīcija nanokristāliem, teorētiski varētu pārveidot vairāk nekā 40 procentus no gaismas enerģijas elektroenerģijā, saka. Artūrs Noziks, vecākais zinātniskais līdzstrādnieks NREL. Turpretim mūsdienu plakanā jumta saules paneļi labākajā gadījumā ir nedaudz vairāk par 20 procentiem, un teorētiski to efektivitāte ir ierobežota līdz aptuveni 30 procentiem. Saules gaismas koncentrēšana ar spoguļiem vai lēcām varētu palielināt šo skaitli līdz aptuveni 40 procentiem, bet tā pati pieeja varētu palielināt silīcija-nanokristāla saules baterijas efektivitāti līdz pat vairāk nekā 60 procentiem, saka Nozik.
Turklāt no silīcija nanokristāliem izgatavotās saules baterijas varētu izrādīties lētas, dodot tām ievērojamas priekšrocības salīdzinājumā ar citām augstas efektivitātes saules baterijām. Piemēram, uzlabotas vairāku savienojumu šūnas ir parādījušas efektivitāti, kas pārsniedz 40 procentus. Bet tiem ir nepieciešami sarežģīti ražošanas procesi, kas apvieno dārgus pusvadītājus, kas optimizēti dažādām saules spektra daļām. Turpretim silīcija nanokristālus ir salīdzinoši viegli izgatavot, pat salīdzinot ar tradicionālo saules bateriju materiālu, no kuriem labākie ir izgatavoti no ļoti lieliem atsevišķiem silīcija kristāliem.
Silīcija nanokristāliem ir arī ievērojamas priekšrocības salīdzinājumā ar citiem nanokristālu materiāliem, kas ir parādījuši daudzelektronu efektu. Daži no šiem materiāliem satur toksiskus elementus, piemēram, svinu vai kadmiju, un citi paļaujas uz tādiem elementiem kā indijs, kuru piedāvājums ir ierobežots. Bet silīcijs ir gan drošs, gan bagātīgs. Tas ir arī labi izpētīts, saka Kristiāna Honsberga , Delavēras universitātes elektrotehnikas un datortehnikas profesors, tāpēc inženieri zina, kā ar to strādāt, lai izgatavotu saules baterijas. Patiešām, daudzu to pašu iemeslu dēļ silīcijs mūsdienās ir visizplatītākais materiāls saules baterijās, un tas ir pievilcīgs kā pamats plašākai fotoelementu izmantošanai nākotnē.
Pirms NREL darba pētnieki uzskatīja, ka silīcija kristāli, kas ir pietiekami mazi, lai radītu daudzelektronu efektu, būtu nepraktiski kā fotoelementu materiāls. Nanomērogā silīcija optiskās īpašības mainās tā, ka tas mazāk gaismas no spektra sarkanā gala pārvērš elektronos. Rezultātā visi ieguvumi no efektīvākas zilās un ultravioletās gaismas pārveidošanas tiktu kompensēti. Nozik un viņa kolēģi atklāja, ka nanokristāliem nav jābūt tik maziem, kā tika uzskatīts iepriekš, novēršot šo problēmu.
Protams, NREL darbs ir tikai pirmais solis. Saules bateriju izgatavošana, kas izmanto daudzelektronu ģenerēšanas priekšrocības, ir izaicinājums. Tas ir tāpēc, ka papildu elektroni ir ļoti īslaicīgi, tāpēc ir grūti tos iegūt no nanokristāliem, lai radītu elektrisko strāvu. Patiešām, tas ir izrādījies tik grūti, ka pierādījumi par ietekmi ir iegūti no netiešām metodēm, piemēram, spektroskopijas, nevis no saules baterijas radītās strāvas. Netiešo pasākumu izmantošana ir likusi dažiem ievērojamiem ekspertiem apšaubīt, vai faktiski tiek ražoti papildu elektroni, lai gan Nozik saka, ka efekts ir apstiprināts, izmantojot vairākas metodes. Nozik un viņa kolēģi tagad strādā, lai izgatavotu saules baterijas no silīcija nanokristāliem — viņi pēta vairākus jaunus dizainus, un viņš saka, ka viņi nesen ir veikuši tiešus mērījumus, kas liecina, ka viņu šūnas atbrīvo vairākus elektronus uz katru absorbēto fotonu. (Viņu rezultāti vēl ir jāpublicē.)
Honsbergs ir piesardzīgi optimistisks, nosaucot vairāku elektronu efekta atrašanu silīcija nanokristālos par izrāvienu, taču tikai viens no trim vai četriem izrāvieniem, kas nepieciešami, lai ražotu lētas, īpaši efektīvas saules baterijas.