Rise & Shine: Solens effektivitetsrekord blir splittrade av nya framsteg

Tiden att stiga upp och skina: Solens effektivitetsrekord blir splittrade av de senaste framstegen

Förra månaden lade en forskare på National Renewable Energy Laboratory i Golden, Colo., En solstämpel i frimärke på en bricka och placerade den under en solcellssimulator med hög intensitet. Simulatorn blinkade en 2.5 millisekund ljuspuls, och 19-speglar reflekterade fotonen ner på cellen. Under några få millisekunder sänktes data genom en looping av kablar till NREL-datorer. Forskare kramade och korrigerade siffrorna, och övervakaren Keith Emery övervakade dem: En ny världsrekord för solcellsvoltaffektivitet hade fastställts.

I de höga insatserna, högteknologiska världen av solceller, hålls poängen som procenten av den råa solenergin som slår en cell som omvandlas till el. Eftersom hans laboratorium är den enda i USA som certifierats av den internationella elektrotekniska kommissionen för att testa effektiviteten av solceller är Emery nationens inofficiella solvaktare.

Vi är i en renässansperiod av fotovoltaisk forskning, där konstant innovation driver upp effektiviteten över alla typer av solceller - från det mest konventionella kristallina kislet till tunnfilmkadmiumtellurid, till mycket buzzed-om nya upptäckter som perovskitceller. Världsrekordet bryts med en breakneck-hastighet, och forskarna bakom den senaste rekord-setteren vet bättre än att fira för länge.

Solar Holy Grail: Grid Parity

Bara om alla i det fotovoltaiska samhället - även de som lämnas i dammet av de senaste innovationerna - håller med om att denna konstanta enmansförmåga är en mycket bra sak. För solindustrin är effektivitetsvärderingar mycket mer än braggingrättigheter eller foder för forskningsbidragsförslag. De är nyckeln till att flytta närmare "gridparitet" - den punkt där elfotovoltaikerna producerar kostnader på samma sätt som (eller mindre än) det från kol och naturgasväxter.

"När du kan utveckla solceller som har super hög effektivitet, låser du upp besparingar över hela linjen", säger fysiker John Rogers vid University of Illinois i Urbana-Champaign, en allmänt äldrad ledare inom fotovoltaisk forskning. "Du minskar antalet moduler du bygger. Du minskar installationskostnaden. Underhållskostnaden går ner. Mängden mark du behöver går ner. "

Tumregeln i solenergivärlden är att solcellerna kommer att kunna konkurrera direkt med kol och naturgas när deras elproduktion kostar upp till $ 1 per watt. "Det grundläggande antagandet är att när du tar med dig något till gridparitet, Accepteringen av tekniken är mycket bättre, säger Ramamoorthy Ramesh, grundande chef för US Department of Energys SunShot-program, som lanserades i 2011 med uppgiften att föra kostnaden för solenergi ner för att möta eller slå kostnaden för el från fossila bränslen.

Tumregeln i solenergivärlden är att solcellerna kommer att kunna konkurrera direkt med kol och naturgas när deras elproduktionskostnad når $ 1 per watt. Vid den tidpunkten SunShot började var kostnaden för solenergi-elkraft $ 5 per watt. Tre år sedan har Ramesh-rapporterna sjunkit till omkring $ 2.80 per watt.


Få det senaste från InnerSelf


De flesta av de låghängande frukterna för kostnadsbesparingar har emellertid redan valts, och en glut av kinesiska solpaneler har varit en stor drivkraft för solöverkomlighet. Att skrapa bort nästa $ 1.80, producera celler med högre effektivitet och flytta dessa upptäckter från laboratoriet till den verkliga världen kommer att vara avgörande.

"Med solceller vet vi vad vi ska göra, säger Ramesh. "Vi behöver minska tillverkningskostnaderna och förbättra effektiviteten."

Solar erbjuder många möjligheter för effektivitet

Möjligheterna att förbättra effektiviteten är många. Ett viktigt fokusområde är det halvledarmaterial som används för att fånga ljusenergi och förvandla den till strömmen. Varje material som används som halvledare har unika styrkor och begränsningar med avseende på effektivitet, typiskt för att varje är bäst att absorbera ett visst segment av det naturliga ljusspektret - så sökningen är ständigt på för material som kan göra lite bättre.

För att maximera effektiviteten, stannar ingenjörerna hela tiden med alla aspekter av dessa mikroskopiska celler. Övriga faktorer påverkar cellens slutverkningsgrad: hur ett halvledarmaterial bryts ned över tiden, hur cellens arkitektur möjliggör absorption, hur lämplig elektroder fångar den ström som halvledaren skapar och styr den till en produktiv användning som el. För att maximera effektiviteten, stannar ingenjörerna hela tiden med alla aspekter av dessa mikroskopiska celler - förändrar kemikalier och mönster för att slutligen producera bästa ström och spänning.

På grund av de olika potentiella effektiviteten hos olika material och mönster kan ett rekordinställningsverkningsresultat för en viss klass av fotovoltaiska celler vara betydligt högre än en annan. De bästa tunnfilmssolcellerna i världen sträcker sig runt 23-procent, medan de bästa kiselbaserade cellerna uppnår cirka 26-procent och de bästa multikopplingscellerna (som använder ett sortiment av halvledare staplade på varandra) rensar 44-procent .

Men flerkorsningsceller är mycket dyrare att producera, och kan inte riktigt användas i utbredd takhöjd. Så en kiselcell som loggar bättre än 25-procent effektivitet är lika spännande och lovande som en flerpunktscell som klockar över 40.

Kan vi förvänta oss kontinuerliga ökar i solens effektivitet?

När du bildar en solpanel - på taket eller i en stor spridande fotovoltaisk bondgård - riskerar du att du har en bild av kristallin kisel i ditt huvud. I årtionden har kisel varit arbetskonst för fotovoltaics över hela världen, den överlägset vanligaste halvledaren för solceller. "Silikon har varit runt 80 till 90 procent av marknaden för något som 20 år", säger Sarah Kurtz, chef för Reliability Group på NREL.

Genom de årtiondena har effektiviteten av kiselceller ökat stadigt, men långsamt, och den rådande attityden var att det inte fanns en hel del mer effektivitet som kunde samlas av kisel. Tills nyligen.

Ett uppstart-kiselselskap, TetraSun, har NREL-forskare abuzz och konkurrenter ser röda. Genom att vrida ett par kiselkonventioner på örat, loggade TetraSun 21-procent effektivitet på bara 18-månadens arbete. Medan det kanske inte låter som mycket, slår det redan ut typiska skärmtryckta kiselceller - det absolut vanligaste du ser på hustak - med några seriösa procentpoäng.

En del av TetraSuns hemlighet är det för några notoriska prestationsutövare: dopning. Alla kiselskivor är dopade (kemiskt behandlade), men TetraSuns så kallade "N-typ" -celler är dopade med fosfor. Detta förhindrar att cellerna lider av samma ljusinducerad nedbrytning som plågar konventionella bordopade "P-typ" -plattor, vilket bidrar till att hålla effektiviteten långt längre in i en panels livslängd.

Sådana ansträngningar att ersätta billigare material för dyra komponenter blir allt viktigare, eftersom företag ser till att bygga större solcellsvoltaiska installationer.

TetraSuns N-typceller är också dubbelsidiga och har en del smart arkitektur som gör det möjligt för halvledaren att fånga indirekt solljus som studsar längst ner på modulen. Och utöver det bytte TetraSun ut silverplattan som leder framsidan av en typisk silikonfotovoltaisk panel, som slår ut elströmmen från cellen, för kopparelektroder. Det var inte så enkelt - i månader och månader arbetade TetraSuns ingenjörer med NREL-experter för att räkna ut hur man får kopparet, ett ganska orubbligt material, att uppträda. Slutligen, kopparet fastnade i formationen, gridded linjerna omkring en tjugofemde bredden av ett mänskligt hår.

Sådana ansträngningar att ersätta billigare material för dyra komponenter blir allt viktigare, eftersom företag ser till att bygga större solcellsvoltaiska installationer, NREL analytisk mikroskopi handledare Mowafak Al-Jassim berättade SolarReviews i november förra året.

Från och med februari paneler utrustade med TetraSuns kopparfodrade celler suger upp strålarna på hustakarna hos riktiga betalande kunder. Företaget köptes av First Solar, en storaktig spelare i kommersiellt sol, som omedelbart rullade ut TetraSuns produkt som sin första linje för hustak.

En potentiell stigande stjärna: Perovskite solceller

Om kiselforskare försöker lära sig en gammal hunds nya tricks, är ett nytt solmaterial, kallat perovskite, en ny exotisk hundraser som vrider huvud och tappar käftar. Perovskitceller (uppkallad efter ett mineral som finns i Uralbergen) skjuter upp effektivitetsdiagrammen snabbare än vad fotovoltaiska världen någonsin har sett.

Det var inte förrän 2009 att perovskite ens betraktades som en halvledare i solceller. Vid den tiden experimenterade en japansk forskare med den loggade 3.8-procentuella effektiviteten. Förra månaden rapporterade ett lag vid University of California-Los Angeles 19.3 procent.

Perovskite-celler "är en variation på färgkänsliga celler, som har arbetat ganska länge", förklarar Kurtz, med hänvisning till en framväxande klass av celler som i huvudsak ersätter halvledarskivorna i fast tillstånd med ljusabsorberande organiska färgämnen. "Bara under det senaste året utgjorde [forskare] en materialkombination som möjliggör en högre effektivitet." Och sedan dess har det gått ut på tävlingarna.

Den största fördelen med perovskite är hur lätt det är att arbeta med. Den kan odlas i en vätska och i stort sett skrivas ut på ett basmaterial, vilket gör det enkelt och billigt att producera solceller som enkelt överförs från högteknologiska laboratorier till fabriker.

Ett problem: de mest framträdande perovskitcellerna blandas med bly, vilket kan fungera i ett säkert laboratorium, men som ingen kommer att lägga på sina hustak. Under den senaste månaden har dock två separata forskargrupper publicerat lovande resultat av tidiga experiment som blandar perovskite med tenn. Tenn är inte bara säkrare och miljövänligare än bly, det är också mycket billigare.

"Tenn är ett mycket livskraftigt material, och vi har visat att materialet fungerar som en effektiv solcell", säger Mercouri Kanatzidis, en kemist vid Nordväst Universitet i en uttalande förra månaden meddela hans lag s resultat. "Tenn och bly är i samma grupp i det periodiska bordet, så vi förväntar oss liknande resultat."

Huruvida perovskite solceller finner framgång är givetvis en öppen fråga. Cellerna har ännu inte bevisat deras livskraft i egentliga glas- och metallmoduler, och hela fältet är för ung för att ha någon känsla av hur bra de håller sig över tiden.

Stapla celler är ett annat genombrott

För Rogers är stapelceller vägen att bryta igenom effektivitetsgränserna för traditionell fotovoltaik. Varje givet solcellsmaterial (som kisel eller kadmiumtellurid, den mest populära formen av tunnfilm), förklarar Rogers, är bra för att absorbera en viss begränsad del av solens ljusspektrum. Eftersom de bara är inriktade på dessa våglängder, har dock alla grundläggande solceller en teoretisk gräns. (Kristallin kisel är runt 29 procent, känd inom fältet som Shockley-Queisser-gränsen.)

Rogers strategi är att stapla olika material - varje lager tar upp en annorlunda bit av ljusspektret. "Hur du förbättrar effektiviteten är att designa solceller som har förmåga att fungera över hela spektralområdet i samband med inkommande fotoner från solen , och det är ett ganska brett utbud, säger Rogers.

Rogers strategi är att stapla olika material - varje lager tar upp en annan bit av ljusspektrum. "Du kan utveckla en solcell som fungerar riktigt bra i det gröna, men elak i det röda", förklarar han, "men stack sedan på en annan som är inställd att fungera effektivt i rött."

De resulterande halvledarstaplarna är små - mindre än en millimeter kvadrat vardera - men den glaspanel som vilar över dem innehåller linser som fokuserar solens ljus direkt på varje stapel, som en dålig pojke som bråkar en bugg med ett förstoringsglas. Varje bit av ljus som träffar panelen möter en minimal cellstamma.

Denna kraft av mikroengineering - som för att brutalt översimplifiera den, innebär att varje lager ska odlas på ett annat substrat, etsning bort de önskade cellerna, "rubberstämpling" halvledarna på själva cellen och sedan stapla dem fyra skikt tjocka - faktiskt fungerar. Rogers team meddelade bara en fyrskiktscell som klockade in i laboratoriet vid 42.5-procentuell effektivitet.

Rogers jobbar nu med ett North Carolina-baserat företag som heter Semprius för att sätta flera korsningsceller som hans i fältberedda moduler. Även med alla de olika tillbehören har Semprius-modulerna en effektivitet på 35-procent, vilket är "absolut den högsta modulen där ute", säger Rogers. "Det är inte ens nära."

Husägare kommer förmodligen inte att göra en beställning med Semprius, eftersom dessa moduler inte är för hustak. De är "mest lämpade för brukskalibransolanläggningar, eller du kan tänka dig att de är installerade i industriparker och datalager. Vi pratar om extremt låg kostnad, storskalig kraftproduktion, säger Rogers.

Låg noggrann kostnad för att uppnå nätverksparitet? Siemens, den massiva tyska solledaren, tror det. Företaget är en tidig investerare i Semprius, och Rogers kallar sin utvärdering av tekniken "mest inspirerande".

"De tog en titt och sa att det här kan vara billigare än kol."

Och ändå, sant mot naturen av strävan efter bättre fotovoltaik, är det inte slutet på historien. Tillbaka i labbet säger Rogers att med några mindre tweaks kommer hans lag att kunna få effektivitetsgraden över 50-procenten. "Vi kan gå långt utan ett annat genombrott."

Håll ögonen öppna.

Denna artikel publicerades ursprungligen på Ensia


Om författaren

jervey benBen Jervey är en författare och redaktör som täcker klimat, energi och miljö. Han skriver regelbundet för National Geographic News, På jordenoch DeSmogBlog. Han arbetade nyligen med Focus the Nation för att publicera en Energi 101 primer. En cykelentusiast, Ben har ridit över USA och genom mycket av Europa.


Rekommenderad bok:

Hur man byter värld: sociala entreprenörer och kraften i nya idéer, uppdaterad utgåva
av David Bornstein.

Hur man förändrar världen: Sociala entreprenörer och kraften i nya idéer, Uppdaterad utgåva av David Bornstein.Publicerad i över tjugo länder, Hur man ändrar världen har blivit Bibeln för socialt entreprenörskap. Det profilerar män och kvinnor från hela världen som har hittat innovativa lösningar för en mängd olika sociala och ekonomiska problem. Oavsett om de arbetar för att leverera solenergi till brasilianska bybor eller förbättra tillgången till college i USA, sociala entreprenörer erbjuder banbrytande lösningar som förändrar liv.

Klicka här för mer info och / eller för att beställa boken på Amazon.

enafarzh-CNzh-TWnltlfifrdehiiditjakomsnofaptruessvtrvi

följ InnerSelf på

facebook-icontwitter-iconrss-icon

Få det senaste via e-post

{Emailcloak = off}