زيادة كفاءة الخلايا الضوئية في الأسلاك النانوية إلى 17.8٪

الهيكل التخطيطي لخلية كهروضوئية

باحثون من جامعة آيندهوفن التقنية (هولندا) سجلوا رقماً قياسياً جديداً لكفاءة الخلايا الكهروضوئية مع الأسلاك النانوية: 17.8٪. هذا نوع جديد نسبيًا من الخلايا الشمسية تم اختراعه قبل أقل من عقد من الزمان. في مثل هذا الوقت القصير ، تمكن من الاقتراب من الأنواع التقليدية للخلايا الشمسية أحادية الطبقة بكفاءة.

يشير هذا التقدم السريع إلى أن الخلايا الكهروضوئية النانوية هي تقنية واعدة للغاية. تحدث المخترعون عن هذا منذ البداية. يبدو "تركيز" الفوتونات من خلال الأسلاك النانوية مغرًا للغاية بحيث يمكن للمرء أن يحلم بزيادة كبيرة في الكفاءة.


الخلية الكهروضوئية بألياف نانوية دائمة من زرنيخيد الغاليوم. Photo: Niels Bohr Institute Nanotechnology Center (الدنمارك) على

عكس الأنواع الأخرى من الخلايا الكهروضوئية ، لا تتكون الخلايا الضوئية النانوية من طبقات كثيفة صلبة ، بل شبكة من الألياف الرأسية بسمك حوالي 200 نانومتر لكل منها.

في عام 2013 ، قام بيتر كروجستروب من مركز نيلز بور لتقنية النانو (الدنمارك) مع علماء من مدرسة البوليتكنيك الفيدرالية في لوزان (سويسرا) ببناء نموذج ضوئي 1 مم ² ( pdf )بألياف نانوية دائمة من زرنيخيد الغاليوم. تحت ضوء الشمس العادي ، تمت إزالة تيار مناظر لـ 24.6 مللي أمبير لكل سنتيمتر مربع من السطح من الخلية الكهروضوئية. في الواقع ، ركزت الألياف النانوية الدائمة الضوء من منطقة 15 مرة من إجمالي المقاطع العرضية.

يتم تفسير هذه المؤشرات الظاهرة بصدى موجات الضوء المرئية ، التي يقل طولها عن المقطع العرضي للألياف الدائمة. في مواجهة الألياف الواقفة ، تدخل الموجات المجاورة صدى. إن شبكة الألياف الواقية كمكنسة كهربائية "تمتص" الضوء المحيط في نفسها.

KhKnstn: , . — 100 /². , 2016 , 34,5 /².

15 . , , . , .

إذا قبلنا "الغش" بالرنين ، فينبغي أن تتغلب الألياف النانوية بشكل عام على حد شوكلي - كيسر الأساسي ، وهو 33.7٪ للخلية ذات تقاطع pn واحد ، و 42٪ للخلية ذات الطبقتين ، و 49٪ للخلية الثلاثية ، و 68٪ للخلية الافتراضية ذات اللانهاية عدد الطبقات.

كفاءة تحطيم الأرقام القياسية لأنواع مختلفة من الخلايا الشمسية ، 1976-2016


بعد فترة وجيزة من النماذج الأولية الأولى ، بدأ علماء آخرون في تجربة خلايا ضوئية سلكية حقيقية. بدأت كفاءة هذه العناصر في النمو بسرعة.

الآن ، أظهرت مجموعة من الباحثين من جامعة آيندهوفن التقنية لأول مرة في الظروف الواقعية كفاءة الخلية الكهروضوئية 17.8٪. وفقا للباحثين ، هذا أبعد ما يكون عن الحد. مؤلفو العمل العلمي ، ديك فان دام (ديك فان دام) وإنشاو تسوي (ينج تشاو كوي) على يقين من أن الرقم القياسي سوف ينخفض ​​بسرعة. ويتوقعون أن يتم تجاوز عتبة الكفاءة بنسبة 20٪ في غضون عامين. ترجع الزيادة في الكفاءة إلى العمل النظري للفيزيائيين الذين قاموا بحساب شكل وقطر أكثر كفاءة للألياف النانوية ، بالإضافة إلى موقعهم النسبي. إن تحقيقها هو بالتحديد في تحسين "غابة" الألياف النانوية ، مما قلل من عدد العيوب.

وكان الإنجاز القياسي السابق لهذا النوع من الخلايا الشمسية 15.3٪. وقد أظهر هذه النتيجة باحثون من جامعة لوند (السويد). يُعتقد أن الحد النظري للكفاءة لخلية كهروضوئية هو 46٪ ، أي أعلى بكثير من حد Shockley-Kweisser الأساسي للعناصر التقليدية حيث لا يوجد تأثير رنين.

يؤكد العلماء على أن هناك ميزة أخرى للخلايا الضوئية ذات الأسلاك النانوية وهي تكلفتها النظرية المنخفضة في الإنتاج الضخم ، حتى بالمقارنة مع التكنولوجيا القديمة منذ عقود لتصنيع الخلايا الضوئية التقليدية. ميزة مهمة هي أن المواد أقل بخمس مرات من أجل صنع خلايا جديدة. إنه ليس فقط أرخص وأكثر كفاءة في استخدام الطاقة. كلما كانت المواد أقل ، كانت العيوب أقل والقطع المعيبة. على الأقل نظريا.

لكي تصبح الخلايا الضوئية ذات الأسلاك النانوية جذابة تجارياً ، يجب مقارنتها بالعناصر التقليدية من حيث التكلفة والكفاءة. للقيام بذلك ، تحتاج إلى رفع الكفاءة إلى 25٪ على الأقل وتحسين العملية التقنية لتصنيعها. يمكن تحقيق المزيد من خفض التكلفة بالانتقال من استخدام المعادن النادرة ، مثل زرنيخيد الغاليوم وفوسفيد الإنديوم ، إلى السيليكون الأكثر شيوعًا. طريقة أخرى لتقليل التكلفة هي اختراع العملية التكنولوجية لإنتاج الخلايا الشمسية دون استخدام ركيزة سميكة.

في 17 أكتوبر 2016 ، حصل ديك فان دام على درجة الدكتوراه (الدكتوراه) في جامعة آيندهوفن التقنية لعمله في حساب وتصنيع الخلايا الضوئية ذات الأسلاك النانوية بكفاءة متكررة. لسوء الحظ ، لم يتم نشر أطروحة دكتوراه في المجال العام. حتى المراجعة المستقلة ونشر مقال علمي في مجلة رسمية ، يمتنع المؤلف عن الكشف عن التفاصيل الفنية للاختراع.

في بيان صحفي تؤكد الجامعة أن الدكتور فان دام يعرف باسم الفائز في الموسم التلفزيوني مسابقة من الأرصاد من هيت هي من مس اضغط على المرجع Tafel ، الذي يجمع بين لعبة البوكر وسعة الاطلاع.

Source: https://habr.com/ru/post/ar398483/