A eficiência das fotocélulas de nanofios aumentou para 17,8%

Estrutura esquemática de uma fotocélula de nanofios

Pesquisadores da Universidade Técnica de Eindhoven (Holanda) estabeleceram um novo recorde para a eficiência de fotocélulas com nanofios: 17,8%. Este é um tipo relativamente novo de célula solar que foi inventada há menos de uma década. Em tão pouco tempo, ele conseguiu se aproximar dos tipos tradicionais de células solares de camada única em eficiência.

Um progresso tão rápido indica que as fotocélulas de nanofios são uma tecnologia muito promissora. Os inventores falaram sobre isso desde o início. O "foco" dos fótons através dos nanofios parece tão sedutor que se pode sonhar com um aumento dramático na eficiência.


Fotocélula com nanofibras em pé de arseneto de gálio. Foto: Centro de Nanotecnologia do Instituto Niels Bohr (Dinamarca)

Ao contrário de outros tipos de fotocélulas, as fotocélulas de nanofios não consistem em camadas sólidas densas, mas em uma grade de fibras verticais com uma espessura de cerca de 200 nanômetros cada.

Em 2013, Peter Krogstrup, do Centro de Nanotecnologia do Instituto Niels Bohr (Dinamarca), juntamente com cientistas da Escola Politécnica Federal de Lausanne (Suíça) construiu um protótipo de uma célula solar ( pdf ) com uma área de 1 mm ²com nanofibras permanentes de arseneto de gálio. Sob luz solar normal, uma corrente correspondente a 24,6 mA por centímetro quadrado de superfície foi removida da fotocélula. De fato, as nanofibras permanentes concentraram a luz de uma área 15 vezes a sua seção transversal total.

Tais indicadores fenomenais são explicados pela ressonância das ondas de luz visíveis, cujo comprimento é menor que a seção transversal da fibra estacionária. Diante das fibras estacionárias, as ondas vizinhas entram em ressonância. A estrutura das fibras estacionárias como um aspirador de pó “suga” a luz ambiente para si mesma.

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

15 . , , . , .

Se aceitarmos "trapacear" com ressonância, as nanofibras geralmente deverão superar o limite fundamental de Shockley-Quisser , que é de 33,7% para uma célula com uma junção pn, 42% para uma célula de duas camadas, 49% para uma três camadas e 68% para uma célula hipotética com infinito número de camadas.

Eficiência recorde de vários tipos de células solares, 1976-2016


Logo após os primeiros protótipos, outros cientistas começaram a experimentar fotocélulas reais de nanofios. A eficiência de tais elementos começou a crescer rapidamente.

Agora, um grupo de pesquisadores da Universidade Técnica de Eindhoven demonstrou pela primeira vez em condições reais a eficiência de uma fotocélula de nanofios 17,8%. Segundo os pesquisadores, isso está longe do limite. Os autores do trabalho científico, Dick van Dam e Inchao Tsui (Yingchao Cui) têm certeza de que o recorde cairá rapidamente. Eles prevêem que o limiar de eficiência de 20% será superado em dois anos. O aumento da eficiência se deve ao trabalho teórico dos físicos que calcularam uma forma e diâmetro mais eficientes das nanofibras, bem como sua posição relativa. Sua conquista está justamente na otimização da “floresta” de nanofibras, o que reduziu o número de defeitos.

A conquista recorde anterior para esse tipo de célula solar foi de 15,3%. Este resultado foi mostrado por pesquisadores da Universidade de Lund (Suécia). Acredita-se que o limite teórico de eficiência para uma fotocélula de nanofios seja de 46%, ou seja, bem acima do limite fundamental de Shockley-Kweisser para elementos tradicionais onde o efeito de ressonância não está envolvido.

Os cientistas enfatizam que outra vantagem das fotocélulas de nanofios é seu baixo custo teórico na produção em massa, mesmo em comparação com a tecnologia de décadas para a fabricação de fotocélulas tradicionais. Uma vantagem importante é que cinco vezes menos material é necessário para criar novas células. Não é apenas mais barato e energeticamente eficiente. Quanto menos material, menos defeitos e lotes defeituosos. Pelo menos teoricamente.

Para que as fotocélulas de nanofios se tornem atraentes comercialmente, elas devem ser comparadas aos elementos convencionais em custo e eficiência. Para fazer isso, você precisa aumentar a eficiência em pelo menos 25% e melhorar o processo técnico de sua fabricação. É possível obter uma redução de custo adicional, passando do uso de metais raros, como arseneto de gálio e fosfeto de índio, para silício mais comum. Outra maneira de reduzir o custo é a invenção do processo tecnológico para a produção de células solares sem o uso de um substrato espesso.

Em 17 de outubro de 2016, Dick van Dam recebeu seu doutorado (PhD) na Universidade Técnica de Eindhoven por seu trabalho no cálculo e fabricação de fotocélulas de nanofios com uma eficiência recorrente. Infelizmente, sua tese de doutorado não é publicada em domínio público. Até uma revisão independente e publicação de um artigo científico em um jornal oficial, o autor se abstém de divulgar os detalhes técnicos da invenção.

Um comunicado de imprensa da universidade enfatiza que o Dr. van Dam é conhecido como o vencedor da temporada do questionário de televisão do Met het Mes op Tafel , que combina pôquer e erudição.

Source: https://habr.com/ru/post/pt398483/