Παράγοντας περισσότερη ενέργεια από τους ηλιακούς συλλέκτες

Επιστήμονες του  University of Warwick δημοσίευσαν πρόσφατα μία νέα έρευνα στο journal Science που δίνει την ελπίδα ότι θα μπορέσουμε να παράγουμε περισσότερη ενέργεια από τους ηλιακούς συλλέκτες, παραμορφώνοντας τους κρυστάλλους που περιέχονται στους ημιαγωγούς των φωτοβολταϊκών.

Η εργασία τους έχει τίτλο “Flexo-Photovoltaic Effect”, και οι συγγραφείς της είναι οι Marin Alexe, Ming-Min Yang, και Dong Jik Kim, που είναι μέλη του τμήματος Φυσικής του University of Warwick.

Οι παραπάνω ερευνητές εξέτασαν τους φυσικούς περιορισμούς του σημερινού σχεδιασμού των περισσότερων ηλιακών panels που υπάρχουν στο εμπόριο, οι οποίοι θέτουν τα όρια της αποδοτικότητας τους.

Τα περισσότερα εμπορικά ηλιακά panels σχηματίζονται από δύο στρώματα, στα σύνορα των οποίων δημιουργείται μια σύζευξη μεταξύ δύο ειδών ημιαγωγών τύπου p με θετικό φορτίο και ημιαγωγών τύπου n με αρνητικό φορτίο.

Όταν απορροφάται το φως, η σύζευξη αυτή των δύο ημιαγωγών διατηρεί ένα εσωτερικό πεδίο που χωρίζει τους φωτό-διεγερμένους φορείς σε αντίθετες κατευθύνσεις, δημιουργώντας ρεύμα και αναπτύσσεται τάση κατά μήκος της σύζευξης.

Χωρίς αυτές τις συζεύξεις, η ενέργεια δεν μπορεί να συλλεχθεί και οι φωτο-διεγερμένοι φορείς θα ξανασυνδυαστούν πολύ γρήγορα, εξαλείφοντας έτσι κάθε ηλεκτρικό φορτίο.

Η ύπαρξη αυτής της σύζευξης είναι βασικότατη για την παραγωγή και την συλλογή ενέργειας από ένα ηλιακό συλλέκτη, αλλά υπάρχει ένα όριο στην απόδοση της.

Αυτό το όριο ονομάζεται “Shockley-Queisser Limit”, και μας περιγράφει ότι από την ενέργεια που φέρει το φως του Ήλιου και πέφτει πάνω σε ένα συλλέκτη, μπορεί να μετατραπεί σε ηλεκτρική ενέργεια μόνο το 33.7% κάτω από  ιδανικές συνθήκες.

Υπάρχει όμως ένας άλλος τρόπος, που κάποια υλικά μπορούν να συλλέξουν φορτία που παράχθηκαν από το φως του Ήλιου, ή από αλλού. Το φωτοβολταϊκό φαινόμενο παρατηρείται σε συγκεκριμένους ημιαγωγούς και μονωτές, όπου η έλλειψη μιας τέλειας συμμετρίας γύρω από το κεντρικό τους σημείο, τους επιτρέπει την παραγωγή τάσης που μπορεί να είναι μεγαλύτερη από το διάκενο ζώνης (band gap) του υλικού.

Δυστυχώς τα υλικά που γνωρίζουμε ότι παρουσιάζουν το φωτοβολταϊκό φαινόμενο έχουν πολύ χαμηλή απόδοση στην παραγωγή ενέργειας, και δεν χρησιμοποιούνται στην πράξη.

Η ερευνητική ομάδα μελέτησε εάν είναι δυνατό να πάρουν τους ημιαγωγούς που είναι αποδοτικοί στους εμπορικούς ηλιακούς συλλέκτες και να τους αλλάξουν ή να τους παρακινήσουν με κάποιο τρόπο έτσι ώστε να τους αναγκάσουν να αποκτήσουν μία μη συμμετρική δομή και έτσι να επωφεληθούν από το φωτοβολταϊκό φαινόμενο.

Για την συγκεκριμένη μελέτη τους, αποφάσισαν να δοκιμάσουν να μετατρέψουν τους ημιαγωγούς στο “σωστό” σχήμα χρησιμοποιώντας αγώγιμες άκρες από atomic force microscopy συσκευές, με την βοήθεια των οποίων παραμόρφωσαν τους κρυστάλλους των υλικών Strontium Titanate (SrTiO3), Titanium Dioxide (TiO2), και Silicon (Si).

Αυτό που ανακάλυψαν ήταν ότι και στις τρεις περιπτώσεις, το υλικό παραμορφώθηκε έτσι ώστε να τους δώσει την μη συμμετρική δομή που χρειαζόντουσαν για την εφαρμογή του φωτοβολταϊκού φαινομένου.

Ο καθηγητής Marin Alexe ανέφερε ότι η επέκταση του εύρους των υλικών που μπορούν να επωφεληθούν από το φωτοβολταϊκό φαινόμενο έχει μερικά πλεονεκτήματα:

• Δεν χρειάζεται να χρησιμοποιήσουμε κάποιας μορφής σύζευξη
• Ο ημιαγωγός με την καλύτερη απορρόφηση του φωτός μπορεί να χρησιμοποιηθεί στους συλλέκτες
• Το θερμοδυναμικό όριο της μετατροπής ενέργειας, το Shockley-Queisser Limit, μπορεί να ξεπεραστεί

Υπάρχουν βέβαια διάφορες τεχνικές προκλήσεις αλλά θα πρέπει να μπορεί να κατασκευαστεί ένα ηλιακό panel που να διαθέτει την δυνατότητα να παραμορφώσει τους κρυστάλλους των ημιαγωγών.

Πηγή

University of Warwick. “Squeezing more power out of solar cells.” ScienceDaily. ScienceDaily, 19 April 2018.

Μοιραστείτε το άρθρο