Innowacyjna konstrukcja maksymalizuje wydajność lekkich ogniw słonecznych w przestrzeni kosmicznej

Innowacyjna konstrukcja maksymalizuje wydajność lekkich ogniw słonecznych w przestrzeni kosmicznej

Wrażenie artysty z działań w bazie księżycowej. Naukowcy z University of Pennsylvania zaproponowali ulepszony projekt dwuwymiarowych ogniw słonecznych z chalkogenku metali przejściowych (2D TMDC), obiecujące rozwiązanie do zasilania eksploracji kosmosu i osadnictwa ze względu na jego niewielkie właściwości. Źródło: ESA – P. Carril

Naukowcy z University of Pennsylvania zaproponowali nowy projekt lekkich ogniw słonecznych z chalkogenku metali przejściowych 2D (2D TMDC), który może podwoić jego wydajność z 5% do 12%. Ogniwa te, które są idealne do zastosowań lotniczych ze względu na swoją wysoką wytrzymałość właściwą, są wzmocnione strukturą supersieci, co skutkuje zwiększoną absorpcją energii słonecznej. Kolejnym krokiem jest opracowanie metody produkcji na dużą skalę.

Jeśli chodzi o zasilanie eksploracji kosmosu i osadnictwa, powszechnie dostępne ogniwa słoneczne wykonane z arsenku krzemu lub galu są nadal zbyt ciężkie, aby można je było transportować rakietami. Aby sprostać temu wyzwaniu, badane są różne lekkie alternatywy, w tym ogniwa słoneczne wykonane z cienkiej warstwy selenku molibdenu, które należą do szerszej kategorii ogniw słonecznych z dichalkogenkiem metali przejściowych (2D TMDC). Wydany 6 czerwca w inauguracyjnym numerze magazynu urządzenieNaukowcy proponują zaprojektowanie urządzenia, które może podnieść wydajność urządzeń 2D TMDC z 5%, jak już wykazano, do 12%.

mówi główny autor W urządzenie Członek Rady Doradczej Deep Jariwala z University of Pennsylvania. „Waga ogniw słonecznych 2D TMDC jest 100 razy mniejsza niż ogniw słonecznych wykonanych z arsenku krzemu lub galu, więc te ogniwa nagle stały się bardzo atrakcyjną technologią”.

Chociaż ogniwa słoneczne 2D TMDC nie są tak wydajne jak krzemowe ogniwa słoneczne, wytwarzają więcej energii elektrycznej na wagę, co jest właściwością znaną jako „energia właściwa”. Dzieje się tak dlatego, że warstwa o grubości zaledwie 3-5 nanometrów – czyli tysiąc razy cieńsza niż ludzki włos – pochłania ilość światła słonecznego porównywalną z dostępnymi na rynku ogniwami słonecznymi. Ich ekstremalna szczupłość sprawiła, że ​​zyskały miano „dwuwymiarowych” – są uważane za „płaskie”, ponieważ mają grubość zaledwie kilku atomów.

Ekscytonowe ogniwa słoneczne 2D

Jak dobre mogą być ogniwa słoneczne z wzbudzeniem 2D? Źródło: Urządzenie/On i in.

„Wysoka energia właściwa jest w rzeczywistości jednym z największych celów każdej technologii kosmicznej do zbierania światła lub energii” – mówi Jariwala. „Jest to ważne nie tylko dla satelitów lub stacji kosmicznych, ale także jeśli chcesz prawdziwej energii słonecznej na dużą skalę w kosmosie”.

„Liczba ogniw słonecznych, które trzeba będzie naładować, jest tak duża, że ​​obecnie nie ma statku kosmicznego, który mógłby transportować tam tego rodzaju materiały w opłacalny ekonomicznie sposób. Tak naprawdę rozwiązaniem jest podwojenie liczby lżejsze ogniwa, które zapewniają bardziej specyficzną moc”.

Pełny potencjał ogniw słonecznych 2D TMDC nie został jeszcze w pełni wykorzystany, więc Jariwala i jego zespół starali się jeszcze bardziej podnieść wydajność ogniw. Wydajność tego typu ogniw słonecznych jest zwykle optymalizowana poprzez wykonanie serii urządzeń testowych, ale zespół Jariwala uważa, że ​​ważne jest, aby zrobić to za pomocą modelowania komputerowego.

Ponadto zespół uważa, że ​​aby naprawdę przesunąć granice wydajności, konieczne jest właściwe uwzględnienie jednej z cech definiujących urządzenie — i wyzwania związanego z ich zaprojektowaniem —: ekscytonów.

Ekscytony powstają, gdy światło słoneczne jest pochłaniane przez ogniwo słoneczne, a ich dominująca obecność jest powodem, dla którego ogniwo słoneczne 2D TMDC ma tak wysoką absorpcję promieniowania słonecznego. Ogniwo słoneczne wytwarza energię elektryczną, gdy dodatnio i ujemnie naładowane składniki ekscytonu są kierowane do oddzielnych elektrod.

Modelując ogniwa słoneczne w ten sposób, zespół był w stanie opracować projekt dwukrotnie wydajniejszy niż to, co zostało już zademonstrowane eksperymentalnie.

„Unikalną częścią tego urządzenia jest jego struktura supersieciowa, co w zasadzie oznacza, że ​​istnieją naprzemienne warstwy 2D TMDC oddzielone niepółprzewodnikową przekładką lub warstwą” – mówi Jariwala. „Odstępy między warstwami umożliwiają wielokrotne odbijanie światła wewnątrz struktury komórkowej, nawet gdy struktura komórkowa jest bardzo cienka”.

„Nie spodziewaliśmy się, że ultracienkie ogniwa osiągną wartość 12%. Biorąc pod uwagę, że obecne sprawności są mniejsze niż 5%, mam nadzieję, że w ciągu najbliższych 4-5 lat ludzie będą w stanie wykazać wydajność ogniw na poziomie 10%. i powyżej.”

Następnym krokiem, mówi Jariwala, jest zastanowienie się, jak osiągnąć masową produkcję proponowanego projektu w skali chipów. „W tej chwili składamy te supersieci, przesuwając poszczególne materiały jeden na drugim, jak papiery. To tak, jakbyś wyrywał je z jednej książki, a następnie sklejał jak stos karteczek samoprzylepnych” – mówi Jariwala Sposób na hodowanie tych materiałów bezpośrednio na drugim”.

Odniesienie: „Jak dobre są ekscytonowe ogniwa słoneczne 2D?” Według urządzenia Hu i in. 6 czerwca 2023 r urządzenie.
DOI: 10.1016/j.device.2023.100003

Prace te były wspierane przez Asian Office of Aerospace Research (AOARD), Air Force Office of Scientific Research (AFOSR), Office of Naval Research, University Research Foundation of Pennsylvania, Alfred P. Sloan Foundation i Centrum. Licencjackie stypendia badawcze (CURF) na University of Pennsylvania.

READ  Skamieliny: rekiny prawie zniknęły 19 milionów lat temu, gdy ich liczba spadła o ponad 70 procent

Elise Haynes

„Analityk. Nieuleczalny nerd z bekonu. Przedsiębiorca. Oddany pisarz. Wielokrotnie nagradzany alkoholowy ninja. Subtelnie czarujący czytelnik.”

Rekomendowane artykuły

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *