Солнечные батареи, которые используют потерянный свет
Стартап Cambridge Photon Technology разрабатывает фотоэлектрические материалы, которые в полной мере используют солнечный спектр.
- Нил Сэвидж
- Нил Сэвидж — независимый научный писатель из Лоуэлла, штат Массачусетс.
Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar.
Кембриджская фотонная технология является побочным продуктом Кембриджского университета, Великобритания, и одним из восьми финалистов The Spinoff Prize 2021.
Поскольку мир все больше внимания уделяет возобновляемым источникам энергии, производители солнечных элементов стремятся выжать из своих панелей все возможное количество электроэнергии. К сожалению, производители сталкиваются с ограничениями в том, насколько эффективными они могут сделать устройства.Британская компания Cambridge Photon Technology считает, что нашла способ значительно увеличить количество электроэнергии, которую может производить фотогальванический материал в солнечных элементах.
Все солнечные элементы работают примерно одинаково: свет падает на устройство и возбуждает электроны в ячейке, вызывая протекание электрического тока. Предпочтительным фотогальваническим (PV) материалом является кремний, который может поглощать большую часть падающего солнечного света и преобразовывать его в электричество. Но кремний лучше всего работает с фотонами в красной и ближней инфракрасной части спектра. Фотоны с более длинной длиной волны и меньшей энергией — дальний инфракрасный диапазон, микроволны и радиоволны — не дают достаточно энергии для протекания тока. Зеленые и синие фотоны с более короткой длиной волны содержат больше энергии, чем может выдержать кремний, а избыточная энергия теряется в виде тепла.
Подробнее о Премии Spinoff
Компания Cambridge Photon Technology заявляет, что нашла способ остановить эту трату: преобразование фотонов с более высокой энергией в фотоны с более низкой энергией, которые может использовать солнечный элемент. «Мы пытаемся решить эту проблему, как улучшить производительность солнечной фотоэлектрической энергии и значительно снизить затраты, не отказываясь от устоявшейся кремниевой технологии», — говорит Дэвид Уилсон, глава отдела развития бизнеса в компании.
Максимальная эффективность определяется явлением, называемым пределом Шокли-Квиссера. Все фотоэлектрические материалы обладают свойством, называемым шириной запрещенной зоны, которое определяет, сколько энергии может передаться отдельным электронам; для кремния это 1,1 электрон-вольт. Это соответствует фотонам в ближней инфракрасной части спектра. Фотоны с более высокой энергией, чем эта ширина запрещенной зоны — весь спектр видимого света — могут генерировать электроны, но любая дополнительная энергия фотона за пределами ширины запрещенной зоны материала высвобождается в виде тепла. Из-за этого ограничения обычный солнечный элемент, работающий в идеальных условиях, может преобразовать в электричество в лучшем случае 29% солнечной энергии.
Новый метод, основанный на явлении, называемом делением синглетного экситона, был разработан физиком Акшаем Рао и его командой из Кембриджского университета. Рао также является главным научным сотрудником стартапа. Когда свет попадает на фотоэлектрический материал, он создает экситон, в котором отрицательно заряженный электрон и положительно заряженная электронная вакансия связаны электростатическим зарядом. Но если материал представляет собой органический полимер-полупроводник, фотон может создать не один, а два менее энергетических экситона, оба из которых могут быть преобразованы в электрический ток. «Вы сохраняете общую энергию, которая входит и выходит, но вы заставляете кремний получать более высокий поток фотонов в той части спектра, которую он хорошо преобразует в электричество», — говорит Уилсон.
Идея расщепления фотонов не уникальна. «В течение многих лет у людей было подозрение, что вы можете использовать это явление деления синглетного экситона в органических полупроводниках, чтобы обойти этот предел Шокли-Квиссера», — говорит Уилсон. Но только в 2014 году Рао и его коллеги, работающие в лаборатории физика Ричарда Френда в Кембридже, впервые разработали практический способ сделать это 1 .
«С самого начала планировалось коммерциализировать эту работу», — говорит Клаудио Маринелли, инженер-электрик и предприниматель, который является исполнительным директором компании. Рао поговорил с производителем солнечных панелей, чтобы понять, что нужно отрасли и как его технология может помочь, а затем обратился к людям с деловым опытом, в том числе к Маринелли и Уилсону, с просьбой помочь создать рыночный продукт.
Рао разработал пленку фотонного умножителя, состоящую из слоя органического полимера под названием пентацен, усеянного квантовыми точками селенида свинца — небольшими светоизлучающими комками неорганического материала. Полимер поглощает синие и зеленые фотоны и превращает их в пары экситонов. Эти экситоны перетекают в квантовые точки, которые поглощают их и излучают фотоны красного или инфракрасного излучения с меньшей энергией.Когда пленку помещают поверх кремниевого солнечного элемента, свет от квантовых точек падает на кремний (см. «Сдвиг цвета»). Между тем, красные и инфракрасные волны непосредственно от Солнца проходят через полимерную пленку и попадают на кремний, как обычно. В результате на кремний попадает больше пригодных для использования фотонов, увеличивая производство электрического тока.
Рао подсчитал, что этот метод двойного экситона теоретически может увеличить потенциальную эффективность преобразования солнечных элементов до 35% 2 . По словам Уилсона, компания еще не приблизилась к этому уровню, но к концу 2022 года она надеется создать прототип, который преобразует около 31% солнечного света в электричество.
Более простое решение
Другие подходы также могут повысить эффективность фотоэлектрических систем. Тандемные солнечные элементы, например, используют материалы, такие как группа кристаллов, известных как перовскиты, которые могут улавливать фотоны с более короткой длиной волны. Материалы можно использовать для создания солнечных элементов, которые затем можно соединить с кремниевыми элементами, создав гибридное устройство, производящее больше электроэнергии. Но сложность с такой установкой, утверждает Уилсон, заключается в том, что заставить два устройства работать вместе, производя разные токи, может быть сложно. Создание солнечных элементов из другого материала также требует дополнительного производственного процесса и нового оборудования, что может привести к росту затрат. «Весь наш подход заключался в том, чтобы избежать этих проблем и сделать простой, нетоксичный материал без электрических соединений, что очень мало усложняет существующую конструкцию», — говорит Уилсон.
Часть Nature Outlook: Spinoff Prize 2021
Идея Cambridge Photon Technology кажется осуществимой, говорит Кристофер Бардин, химик из Калифорнийского университета в Риверсайде, не связанный с компанией. «Это многообещающая технология, которая обеспечивает простую альтернативу тандемным элементам», — говорит он.
Пленка фотонного умножителя компании может легко вписаться в существующие производственные процессы, говорит Уилсон.Готовую пленку можно продавать производителям солнечных панелей для размещения на их фотоэлектрических модулях. Более простой подход может состоять в том, чтобы продать предварительное решение компаниям, которые производят слой винилацетата, покрывающий кремний, или стеклянные панели, покрывающие солнечные элементы. Затем производители панелей собирали уже обработанные компоненты в готовое устройство. Каким бы ни был подход, Уилсон надеется, что продукт будет готов к выпуску на рынок примерно через три года.
В Cambridge Photon Technology работает около дюжины человек, и компания привлекла 1 миллион фунтов стерлингов (1,4 миллиона долларов США) в виде акционерного капитала. Он также имеет ряд исследовательских грантов и имеет доступ к исследователям и объектам Кембриджского университета для дальнейшего развития технологии. Он получил лицензию на четыре ключевых патента университета.
Хотя компания сделала прототипы пленки и квантовых точек, чтобы показать, что они достаточно эффективны, чтобы работать в продукте, она не собрала все части в работающий солнечный элемент с повышенной эффективностью. По словам Уилсона, как только компания докажет, что ее технология жизнеспособна, потенциальная отдача может быть большой. «Действительно ясно, что существует довольно острая необходимость», — говорит он. «И эта технология, если она будет работать, как обещано, будет иметь большое значение для удовлетворения этой потребности».
Эта статья является частью журнала Nature Outlook: The Spinoff Prize 2021, независимого от редакции дополнения, подготовленного при финансовой поддержке третьих сторон. Об этом содержании.
