Stop even en stel je een efficiënt snelwegsysteem voor. Geen behoefte om te jockey voor positie, geen verstikkingspunt dat overgaat van drie rijstroken in één, geen lange stilstand bij slecht getimede verkeerslichten, geen rollende wegversperringen aangezien de automobilist voor u zich voorbereidt op een bocht die nog vijf mijl verwijderd is. Ongeacht het aantal auto's, je zou weten hoe soepel zeilen eruit ziet en aanvoelt.

Dat is het leven dat vaste-stofonderzoekers willen voor elektronen terwijl ze werken om de buitengewone energie van de zon op te vangen en om te zetten in elektriciteit.

Als het een gemakkelijke oplossing was - al dat vangen en omzetten - zou wetenschapper Brian McCandless meer tijd met zijn doedelzak kunnen doorbrengen.

Maar hij en vele andere onderzoekers gaan al tientallen jaren de uitdaging aan om het elektronenverkeer in zonnecellen te verbeteren. McCandless, van het Institute of Energy Conversion van de Universiteit van Delaware, heeft zich vooral gericht op de conversie-efficiëntie en de kosten van dunne-film fotovoltaïsche energie, die concurrerende prijzen bieden voor de opwekking van zonne-energie.

Nutsvoorzieningen, McCandless en zijn medewerkers bij het National Renewable Energy Lab in Golden, Colorado, belangrijke doorbraak hebben gemaakt, met McCandless' UD-gepatenteerde uitvinding die een Star Trek-achtige naam heeft - een Vapor Transport Deposition System - en NREL's grootschalige verificatie van zijn mogelijkheden.

ermee, ze hebben een nieuwe manier gedemonstreerd om de eigenschappen van dunne films aan te passen die een verhoogde efficiëntie en lagere kosten biedt - en de deur opent naar nog grotere vooruitgang.

Hun bevindingen, gemaakt met steun van het Amerikaanse ministerie van Energie, werden gepubliceerd in Nature's Wetenschappelijke rapporten .

Dunne-filmtechnologie vertegenwoordigt een klein maar groeiend aandeel van de zonne-energiemarkt in vergelijking met de veel vaker voorkomende siliciumwafels, maar dunne films hebben veel voordelen ten opzichte van die wafels. Dunne films zorgen voor een snelle productie van flexibelere, lichtgewicht zonnepanelen, uitbreiding van de mogelijkheden voor ontwerp en toepassing.

De high-watermark voor dunnefilmefficiëntie werd in 2016 vastgesteld op 22,1 procent, wat betekent dat een groot deel van het opgevangen zonnelicht direct wordt omgezet in elektriciteit.

Nutsvoorzieningen, McCandless zei dat hij woorden piekerde die hij niet lichtvaardig gebruikt - een langverwachte 'technologische doorbraak'.

Maar eerst, een korte opfriscursus over hoe we de energie van de zon opvangen en verwerken, die in een uur genoeg grondstoffen levert om onze planeet een heel jaar van energie te voorzien.

De meest gebruikelijke methode om de zon te vangen, zijn die zonnepanelen die u op daken van woningen ziet of in andere omgevingen naar de lucht gericht. Speciaal ontworpen cellen op die panelen - meestal gemaakt van silicium - vangen de energierijke fotonen op die overvloedig op ons worden gedoucht in elke stroom zonlicht. Op een zonnige dag, er zijn er ongeveer 1, 000 watt zonlicht valt op elke vierkante meter van het aardoppervlak.

Wanneer deze zonnefotonen fotovoltaïsche materialen treffen, ze worden omgezet in elektronen en gaten. Wanneer op de juiste manier in het materiaal wordt gestuurd, ze kunnen elektrische spanning en een stroom van elektriciteit produceren, resulterend in macht.

Dunne filmmaterialen zijn samengesteld uit miljoenen kristallen per vierkante inch, gelaagd bovenop basismaterialen, substraten genaamd, die zowel warmte als druk gebruiken en "gegroeid" - of opgebouwd - in apparaatstapels die "zonnecellen" worden genoemd. De truc is om de eigenschap van elke kristallijne korrel aan te passen wanneer deze groei plaatsvindt.

McCandless' gepatenteerde nieuwe tool, het damptransportdepositiesysteem, wordt gebruikt om die fijne aanpassingen te maken tijdens filmgroei, het opnemen van kleine hoeveelheden extra elementen in de dunne-filmkristallen bij temperaturen die controle van de eigenschappen mogelijk maken op manieren die de prestaties van de zonnecel verbeteren.

Wanneer de ingebouwde atomen actief zijn, ze produceren wat bekend staat als "doping, " die de geleidbaarheid verhoogt en de spanning verhoogt die door de cel kan worden geproduceerd. Gecombineerd met andere processen na groei, efficiënte stroom van elektronen naar de elektrode wordt versneld - de manier waarop u de verkeersstroom op de snelweg zou kunnen verbeteren door een nieuwe rijstrook te openen of nieuwe toegangspunten toe te voegen. Het vinden van de juiste mix van doping en die andere processen - een die geen andere problemen veroorzaakt of het uithoudingsvermogen van die elektronen aantast - is van cruciaal belang.

McCandless' onderzoek maakte gebruik van een van de meest prominente dunnefilmmaterialen, cadmiumtelluride (CdTe), en testte drie dopingscenario's en behandelingen, het gebruik van antimoon (Sb), arseen (As) en fosfor (P). Elk leidde tot unieke reeksen eigenschappen en allemaal resulteerden ze in aanzienlijk hogere dopingniveaus, met arseen en antimoon die de hoogste opleveren.

"Cadmiumtelluride absorbeert zonlicht echt, heel goed, "Zei McCandless. "Veel eigenschappen maken het geweldig. Maar we kregen maar 0,8 volt uit een cel. Met zijn hoge absorptie-eigenschappen en optimale band gap, we moeten in staat zijn om 1,1 volt te genereren."

Er zijn thermodynamische beperkingen bij het kweken van deze films, maar dat probleem werd aangepakt in het nieuwe proces, te.

"Als je een cadmiumtelluride-rooster neemt, haal een van de telluriums eruit en schuif een van deze elementen erin, het mist nu een elektron, McCandless zei. "Vanwege de thermodynamica, het wil niet in die toestand blijven. Maar als je het rooster bevriest door het snel genoeg te laten groeien en snel genoeg af te koelen, je krijgt dat extra ontbrekende elektron - het gat waar we naar op zoek zijn - en je hebt een hogere geleidbaarheid."

Het snelwegsysteem van het elektron is verbeterd, met andere woorden.

Tot nu, hoge doping van cadmiumtelluride dunne films hadden wetenschappers en ingenieurs ontgaan. Nu worden spanningen van meer dan 1 volt en rendementen van 25 procent mogelijk. Het volgende deel van de puzzel is het vergroten van de elektronenstroom door andere processen aan te passen.

"We hebben laten zien dat we doping gecontroleerd kunnen doen, " zei hij. "Nu willen we de opgenomen hoeveelheid verminderen die nodig is door minder van deze elementen te gebruiken en toch hetzelfde voordeel te behalen."

McCandless en IEC hebben de chemie uitgewerkt en NREL heeft uitgewerkt hoe de films kunnen worden geïntegreerd in een complete zonnecel met hogere prestaties.

"Ze valideerden de metingen die we op films hebben gedaan en repliceerden de techniek in hun laboratorium, " hij zei.

De unieke tool – het damptransportdepositiesysteem – is ontwikkeld met hulp van Wayne Buchanan van IEC, Shannon velden, Greg Hanket, Erten Eser en Bob Birkmire.

Verhoogde efficiëntie en spanning zullen prachtige trapsgewijze effecten hebben, inclusief verminderde afhankelijkheid van fossiele brandstoffen en uitgebreide toegang tot hernieuwbare energie.

"Het laat mensen die bekwaam zijn in de kunst zien dat er een pad voorwaarts is voor de spanning, ' zei McCandless.