Energia z szerszego spektrum światła

Energia z szerszego spektrum światła

Metamateriały, które przekształcają fotony o niższym stanie energetycznym w takie o użytecznej długości fali, mogą zapewnić ogniwom słonecznym przyrost wydajności.

Naukowcy ze Stanfordu zademonstrowali zestaw materiałów, które umożliwiają ogniwom słonecznym wykorzystanie zakresu światła słonecznego, którego energia w innym przypadku jest tracona. Materiały, które pokrywałyby tylną część paneli słonecznych mogą konwertować światło czerwone i bliską podczerwień – dzisiaj niewykorzystywane w tej dziedzinie – w światło o krótszej długości fali, które z kolei ogniwa mogą wykorzystać do wytworzenia energii. Naukowcy z uczelni będą współpracować z działem rozwoju i technologii Bosch w Palo Alto w Kalifornii , by zademonstrować system w ciągu normalnej pracy przez najbliższe cztery lata.

Nawet najlepsze z obecnie dostępnych krzemowych ogniw słonecznych nie wykorzystują około 30 procent światła słonecznego. Dzieje się tak, ponieważ aktywne materiały w fotoogniwach nie mogą wchodzić w interakcje z fotonami, których energia jest zbyt niska. Chociaż pojedynczy foton nie stanowi dużego źródła energii, razem powodują duże straty energii, której wykorzystanie mogłoby zapewnić ogniwom słonecznym większą konkurencyjność cenową na rynku.

Proces ten, zwany upkonwersją, opiera się na parach barwników, które absorbują fotony o danej długości fali i ponownie emitują je w fali o krótszej długości. W tym przypadku, naukowcy z Bosch’a i Stanfordu będą pracować nad systemem, który wykorzysta promieniowanie podczerwone, które, jak wspomniano, nie jest dzisiaj wykorzystywane. Lider grupy badaczy ze Stanford, profesor Jennifer Dionne, uważa, że mogą poprawić efektywność konwersji energii słonecznej na energię elektryczną w amorficznych krzemowych ogniwach o 11 do 15 procent.

„Koncepcja upkonwersji nie jest nowa, ale nigdy nie została zademonstrowana w działających ogniwach słonecznych.”, mówi Kozinsky, starszy inżynier w firmie Bosch. „Upkonwersja zazwyczaj wymaga dwóch rodzajów cząsteczek do wchłonięcia fotonów o stosunkowo dużej długości fali. Jednak szanse, że cząsteczki napotkają się w tym samym czasie, kiedy są w odpowiednich stanach energetycznych, są bardzo małe. Dionne pracuje nad nanocząsteczkami, aby domieszkując nimi ogniwa, zwiększyć szansę na zaistnienie takiego stanu. Aby udoskonalić system wykorzystujący upkonwersję, Dionne opracowuje nanocząsteczki z metalu, które zachowują się jak małe anteny optyczne przekierowujące światło w obszar pary barwników, w taki sposób, aby były eksponowane na działanie większej ilości światła w odpowiednim czasie, pozwalając tym samym na emisję większej ilości ostatecznie przekonwertowanego światła. Zwiększy się ten sposób wydajność paneli.

Ostateczną jego wizją jest stworzenie jednorodnego ciała stałego, o takich właściwościach. Arkusze z tego materiału, mogłyby być ustawione na dnie komory oraz oddzielone od siebie warstwą izolatora. Fala fotonów o krótkiej długości, która przechodziłaby przez warstwę aktywną, byłaby pochłaniana przez warstwę dokonującą upkonwersji, a następnie ponownie emitowana jako użyteczne dla procesu światło.

Kozinsky stwierdza, że celem Bosch’a jest zademonstrowania upkonwersji światła czerwonego w działającym systemie w przeciągu następnych trzech lat, a promieniowania podczerwonego w ciągu czterech. Technologia, pozwalająca na produkcję przemysłową paneli wykorzystujących to odkrycie, powinna być dostępna za 7 do 10 lat, jak mówi.

(rr)