Δυνατότητες αύξησης της απόδοσης στις ηλιακές κυψέλες με ενεργητικά ηλεκτρόνια

Τρίτη, Ιουλίου 20, 2010

Αναζήτηση Θέματος

Στο μέλλον, θα μπορούσαμε να δούμε ηλιακές κυψέλες με θεωρητική μέγιστη απόδοση πολύ πάνω από το σημερινό 31%, ακόμα και στο 66%, χάρη σε ένα καινοτόμο τρόπο αξιοποίησης ηλεκτρονίων των οποίων η ενέργεια συνήθως χάνεται ως θερμότητα.

Μικρογραφία κρυσταλλικού πυριτίου π. 7nm

Οι πιο αποτελεσματικές ηλιακές κυψέλες πυριτίου μετατρέπουν το 25% του εισερχόμενου φωτός σε ηλεκτρική ενέργεια, αλλά ακόμη και με πρόσθετες βελτιώσεις οι κυψέλες αυτές θα καταλήξουν να έχουν απόδοση κοντά στο θεωρητικό όριο του 31%, επειδή το εισερχόμενο φως δημιουργεί άφθονα εξαιρετικά ενεργητικά ηλεκτρόνια. Αυτά τα "καυτά" ηλεκτρόνια χάνουν την ενέργειά του σε λιγότερο από ένα δισεκατομμυριοστό του δευτερολέπτου – πολύ μικρός χρόνος για να μπορέσουν να αξιοποιηθούν.

Το 2001, ο Arthur Nozik του Εργαστηρίου Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (NREL) στο Κολοράντο, πρότεινε ότι οι κβαντικές κουκίδες - ημιαγωγοί νανοκλίμακας - θα μπορούσαν να βοηθήσουν ώστε να επιβραδυνθεί ο ρυθμός με τον οποίο τα ‘καυτά’ ηλεκτρόνια χάνουν την ενέργεια τους ως θερμότητα. Αυτό συμβαίνει επειδή τα επίπεδα της ενέργειας στις κβαντικές κουκίδες κατανέμονται σε μεγαλύτερο εύρος, γεγονός που καθιστά δύσκολο στα ηλεκτρόνια να μεταπηδούν μεταξύ τους. Τα επίπεδα ενέργειας είναι πιο κοντά σε μεγαλύτερα κομμάτια των ημιαγωγών, όπως οι λεγόμενες γκοφρέτες πυριτίου, που χρησιμοποιούνται συχνά στις ηλιακές κυψέλες, οπότε τα ηλεκτρόνια πηδούν μεταξύ των επιπέδων ενέργειας πολύ εύκολα, οπότε είναι εύκολο να χάσουν την ενέργεια τους ως θερμότητα.

Κβαντικές κουκίδες

Ο Xiaoyang Zhu, όμως, από το Πανεπιστήμιο στο Ώστιν, έδειξε ότι αυτά τα καυτά μακροχρόνια ηλεκτρόνια μπορούν να περάσουν από τις κβαντικές κουκίδες σε μια γκοφρέτα ημιαγωγικού υλικού, προτού τα ηλεκτρόνια εγκαταλείψουν την ενέργειά τους ως θερμότητα - δηλαδή βρισκόμαστε ένα βήμα πριν την κατασκευή ηλιακής κυψέλης που να μπορεί να αξιοποιήσει την ενέργεια των καυτών ηλεκτρονίων. Για να γίνει αυτό, οι ερευνητές επικάλυψαν μια πλάκα (γκοφρέτα) από ημιαγωγό διοξειδίου του τιτανίου με κβαντικές κουκίδες φτιαγμένες από σεληνιούχο μόλυβδο, και τότε το έλουσαν με φως.

Η αλλαγή των οπτικών ιδιοτήτων της γκοφρέτας έδειξε ότι τα ηλεκτρόνια είχαν περάσει μέσα της από τις κβαντικές κουκίδες. Αλλά τα υλικά κατασκευάστηκαν έτσι ώστε τα ηλεκτρόνια θα μπορούσαν να εισέλθουν στο υπόστρωμα μόνο σε μεγάλη θερμοκρασία. "Έτσι, κάθε μεταφορά που παρατηρούμε είναι αδιαμφισβήτητα μεταφορά καυτών ηλεκτρονίων”, λέει μέλος της ομάδας Eray Aydil του Πανεπιστημίου της Μινεσότα.

Κλασικός τύπος

Οι ερευνητές προειδοποιούν όμως ότι αυτό είναι μόνο ένα πρώτο βήμα σε μια περίπλοκη διαδικασία που θα μετατρέψει τα καυτά ηλεκτρόνια σε ηλεκτρικό ρεύμα. Ωστόσο, η θεωρητική μέγιστη απόδοση της ηλιακής κυψέλης που θα μπορεί να αξιοποιήσει τα άλματα των καυτών ηλεκτρονίων φτάνει σε περίπου 66 τοις εκατό.

"Φυσικά, ποτέ δεν θα πάρετε τόση υψηλή απόδοση. Υπάρχουν πολλά κατασκευαστικά θέματα, όπου θα χάνουμε ενέργεια", εξηγεί ο Zhu. "Αλλά το τεράστια γεγονός ότι η θεωρητική απόδοση είναι πάνω από το διπλάσιο του θεωρητικού ορίου των συμβατικών ηλιακών κυψελών την καθιστά πάρα πολύ ελκυστική".

Αν πετύχουν, η διαδικασία παρασκευής αυτών των νέων ηλιακών κυψελών θα μπορούσε να είναι σημαντικά φθηνότερη από ό,τι οι υφιστάμενες μέθοδοι για την αύξηση της αποδοτικότητας των ηλιακών κυψελών. Οι πιο αποδοτικές ηλιακές κυψέλες σήμερα κατασκευάζονται στοιβάζοντας στρώματα διαφορετικών ημιαγωγών, που το κάθε στρώμα επεξεργάζεται διαφορετικά μήκη κύματος του φωτός, γεγονός που οδηγεί σε βελτίωση της αποτελεσματικότητας κατά 40 τοις εκατό.

Η κατασκευή όμως αυτών είναι πολύ ακριβή, τόσο που χρησιμοποιούνται κυρίως στο διάστημα και σε στρατιωτικές εφαρμογές. Η επίστρωση όμως ενός ημιαγωγού με κβαντικές κουκίδες είναι πολύ φθηνότερη. “Το κατασκευαστικό όμως τμήμα είναι πολύ εύκολο", λέει ο Zhu "Αυτή είναι η ομορφιά με τις κβαντικές κουκίδες".

Πηγές: newscientist.com , technologyreview.com , physics4u.gr