Leah Markum jest stażystką na University of Arkansas. Napisała ten artykuł w WordsSideKick.com's Expert Voices: Op-Ed & Insights.
Ogniwa słoneczne spinki do mankietów mają ograniczoną zdolność do wytwarzania energii elektrycznej ze względu na ich niższy prąd świetlny (związany z ich mniejszymi prądami zwarciowymi i rozmiarem). Jednak pokrywając maleńkie komórki cienką warstwą tlenku cynku, badacze inżynierii z University of Arkansas osiągnęli rekord konwersji energii dla takich urządzeń.
Każde ogniwo ma kwadrat tylko 9 milimetrów (0,35 cala) z boku, a mimo to ogniwa mogą osiągnąć wydajność 14 procent, najwyższą w przypadku małych ogniw słonecznych galowo-arsenowych. Krzemowe ogniwa słoneczne tej samej wielkości wytwarzają 8 procent wydajności. Chociaż wydajność konwersji rekordów dla dowolnego ogniwa słonecznego wynosi ponad 44 procent, ogniwa te muszą być duże. Dla porównania, pojazd silnikowy wykorzystuje średnio 15 do 25 procent energii cieplnej wytwarzanej przez fotosyntezę benzyny i alg średnio 5 procent - więc w kontekście wydajność 14 procent jest dobra.
Niewielka liczba nowych ogniw - od zaledwie 9 do 12 - wytwarza wystarczającą ilość energii dla małych diod elektroluminescencyjnych i innych urządzeń. Ale poprzez skalowanie modyfikacji powierzchni i upakowanie komórek w duże tablice paneli, urządzenia mogą teoretycznie zasilać duże urządzenia, takie jak domy, satelity, a nawet statki kosmiczne.
Zespół badawczy, który zaprojektował i stworzył ogniwa, kierowany przez profesora elektrotechniki Omara Manasreha, opublikował swoje odkrycia w Applied Physics Letters oraz w kwietniu 2014 r. W numerze Solar Energy Materials and Solar Cells.
Alternatywą dla krzemu arsenku galu jest tańszy i mniej toksyczny półprzewodnik stosowany do produkcji układów scalonych, diod elektroluminescencyjnych i ogniw słonecznych.
Modyfikacja powierzchni - chemiczna synteza cienkich błon, nanostruktur i nanocząstek - tłumiła odbicie słońca, aby komórki mogły absorbować więcej światła. Ale nawet bez powłoki powierzchni naukowcy nadal byli w stanie nakłonić materiał gospodarza do osiągnięcia wydajności 9 procent.
„Chcemy zwiększyć wydajność małych ogniw” - powiedziała Yahia Makableh, doktorantka elektrotechniki z zespołem badawczym. „W przypadku tego konkretnego materiału teoretyczne maksimum wynosi 33 procent, więc mamy trochę pracy. Ale robimy postępy. Piękno tlenku cynku polega na tym, że jest on tani, nietoksyczny i łatwy do syntezy”.
Makableh powiedział, że modyfikację powierzchni można również zastosować do innych ogniw słonecznych, w tym wykonanych z kropek kwantowych arsenku indu i arsenu galu. Ogniwa słoneczne wykonane z tych materiałów mogą osiągnąć wydajność konwersji 63 procent, co czyni je idealnymi do przyszłego rozwoju ogniw słonecznych.
Manasreh kieruje Optoelectronics Research Lab, w którym Makableh używał sprzętu i oprzyrządowania do projektowania i budowy ogniw. Naukowcy w laboratorium hodują i funkcjonalizują półprzewodniki, nanostrukturalne powłoki antyrefleksyjne, samoczyszczące się powierzchnie i metaliczne nanocząsteczki do stosowania w ogniwach słonecznych. Docelowo zamierzają wytwarzać i testować urządzenia fotowoltaiczne o większej wydajności konwersji energii słonecznej.
Manasreh koncentruje się na eksperymentalnych i teoretycznych właściwościach optoelektronicznych półprzewodników, superklat, nanostruktur i powiązanych urządzeń. Od czasu dołączenia do University of Arkansas w 2003 roku otrzymał ponad 8 milionów dolarów publicznych środków na badania od National Aeronautics and Space Administration, US Air Force i National Science Foundation.
Spinki do mankietów na koszuli roboczej lub guzik na dżinsach mogą nie być w stanie przewodzić prądu, aby zasilić światło twojego zegarka, ale udane badania prowadzą do dalszych badań. Bardziej udane badania prowadzą do rozwoju i konsumpcji - co oznacza, że pewnego dnia przypniesz kilka przycisków zasilanych energią słoneczną.
Śledź wszystkie problemy i debaty Expert Voices - i dołącz do dyskusji - na Facebooku, Twitterze i Google +. Poglądy wyrażone są przez autora i niekoniecznie odzwierciedlają poglądy wydawcy. Ta wersja artykułu została pierwotnie opublikowana w WordsSideKick.com.
👉 Niezależnie od warunków czy sposobu montażu instalacji fotowoltaicznej, ogniwa PV nie powinny tracić rocznie więcej, jak 0,5% mocy znamionowej, a po 25 latach eksploatacji ich moc maksymalna nie powinna spaść poniżej 80%.
👉 Z 1 kWp paneli fotowoltaicznych możemy uzyskać do 1000 kWh energii elektrycznej przez 12 miesięcy. W uproszczonym przeliczeniu standardowe zapotrzebowanie to 15 paneli dających moc w polskich warunkach o mocy nieco ponad 4000 kWh, co pokrywa się z zapotrzebowaniem przeciętnego gospodarstwa domowego.
👉 Sprawność paneli fotowoltaicznych zależy od wielu czynników. Należą do nich między innymi warunki atmosferyczne, sposób montażu, producent, a nawet pora roku. Często sprawność, czy też efektywność mylona jest z wydajnością, co jest dużym błędem.
👉 Najmocniejsze panele fotowoltaiczne (stan na 2022 r.) osiągają moc 700 W. Pojedynczy panel fotowoltaiczny ma powierzchnię ok. 1.2-2,5 m² i moc nominalną od 200 W do 550 W.
👉 70-80% energii zostaje wytwarzane w okresie od maja do września, przy czym zazwyczaj największa wydajność przypada na miesiące letnie, czyli czerwiec, lipiec i sierpień – w tych miesiącach do ziemi dociera 43% promieniowania. W ciągu dnia panele fotowoltaiczne osiągają szczyt swojej mocy około południa.
👉 Wystarczy, że roczne zużycie prądu pomnożysz przez 1,2 i podzielisz to przez produkcję roczną z kW, a otrzymasz wynik, którym będzie moc instalacji fotowoltaicznej, jaką potrzebujesz.
Pokrywając maleńkie ogniwa słoneczne tlenkiem cynku, inżynierowie stworzyli skalowalny system do generowania zaskakująco dużych ilości energii.