(PhysOrg.com) -- Stanford-ingenieurs zijn erin geslaagd plasmonica -- een opkomende tak van wetenschap en technologie -- te benutten om licht effectiever in dunne zonnecellen op te vangen. Als resultaat, we zijn een stap dichter bij dun, goedkope zonnecellen.

Onderzoekers in zonne-energie spreken van een dag waarop miljoenen anders braakliggende vierkante meters zonovergoten daken, ramen, woestijnen en zelfs kleding zullen worden geïntegreerd met goedkope zonnecellen die vele malen dunner en lichter zijn dan de omvangrijke dakpanelen die we tegenwoordig kennen.

Dus, wanneer je iPod op de knip staat, je zou hem in je shirt kunnen steken om op te laden. Verdwaald in de Serengeti met een kapotte mobiele telefoon? Geen probleem; gerold in je rugzak is een lichtgewicht zonnepad. Zeilen op de zeven zeeën en je GPS heeft wat sap nodig? Hijs een zonnezeil en word één met de goden van een geosynchrone baan.

Het is niet moeilijk om je een tijd voor te stellen waarin dergelijke technologieën alomtegenwoordig zullen zijn in onze steeds energieverslindende levens. Die dag komt misschien wat eerder dankzij een multidisciplinair team van Stanford-ingenieurs onder leiding van Mike McGehee, Yi Cui en Mark Brongersma, en vergezeld door Michael Graetzel aan de École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL).

Golven van energie

In een artikel gepubliceerd in Geavanceerde energiematerialen , het Stanford/EPFL-team kondigde een nieuw type dunne zonnecel aan die een nieuwe richting voor het veld zou kunnen bieden. Ze slaagden erin plasmonica - een opkomende tak van wetenschap en technologie - te benutten om licht effectiever in dunne zonnecellen te vangen om de prestaties te verbeteren en ze een stap dichter bij de dagelijkse realiteit te brengen.

"Plasmonics maakt het veel gemakkelijker om de efficiëntie van zonnecellen te verbeteren, " zei McGehee, een universitair hoofddocent materiaalkunde en engineering aan Stanford.

McGehee is de directeur van CAMP – het Center for Advanced Molecular Photovoltaics – een multidisciplinair, multi-universitair team dat de uitdagingen van dunnefilmzonnecellen aanpakt.

"Met behulp van plasmonica kunnen we het licht absorberen in dunnere films dan ooit tevoren, "Zei McGehee. "Hoe dunner de film, hoe dichter de geladen deeltjes bij de elektroden zijn. In essentie, meer elektronen kunnen de elektrode bereiken om elektriciteit te worden."

Plasmonics is de studie van de interactie van licht en metaal. Onder precieze omstandigheden, deze interacties creëren een stroom van hoogfrequente, dichte elektrische golven in plaats van elektronendeeltjes. De elektronische puls reist in extreem snelle golven van grotere en kleinere dichtheid, als geluid door de lucht.

Een perfecte zonnewafel

Het gloeilampmoment voor het team kwam toen ze een honingraatpatroon van kuiltjes op nanoschaal in een laag metaal in de zonnecel drukten. Zie het als een wafel op nanoschaal, alleen de bultjes op het wafelijzer zijn koepels in plaats van kubussen – nanodomes om precies te zijn, elk slechts een paar miljardsten van een meter breed.

Om hun wafel te maken, McGehee en teamleden smeren een dun laagje beslag op een transparante, elektrisch geleidende basis. Dit beslag is meestal titania, een semi-poreus metaal dat ook doorschijnend is voor licht. Volgende, ze gebruiken hun nano-wafelijzer om de kuiltjes in het beslag te drukken. Volgende, ze lagen op wat boter - een lichtgevoelige kleurstof - die in de kuiltjes en poriën van de wafel sijpelt. als laatste, de ingenieurs voegen wat siroop toe - een laagje zilver, die bijna onmiddellijk hard wordt.

Als al die nanokuiltjes vol raken, het resultaat is een patroon van nanodomes aan de lichtzijde van het zilver.

Deze hobbelige laag zilver heeft twee belangrijke voordelen. Eerst, het werkt als een spiegel, verstrooid niet-geabsorbeerd licht terug in de kleurstof voor een nieuwe opname. Tweede, het licht interageert met de zilveren nanodomes om plasmonische effecten te produceren. Die zilveren koepels zijn cruciaal. Reflectoren zonder deze zullen niet het gewenste effect produceren. En alle oude nanodomes zullen ook niet werken; ze moeten precies de juiste diameter en hoogte hebben, en precies zo verdeeld, om de plasmonics volledig te optimaliseren.

Als je je voorstelt dat je nanozelf een van deze zonnecellen in slow motion observeert, je zou fotonen zien binnenkomen en door de transparante basis en de titania (de wafel) gaan, op dat moment zouden sommige fotonen worden geabsorbeerd door de lichtgevoelige kleurstof (de boter), het creëren van een elektrische stroom. De meeste van de resterende fotonen zouden de zilveren achterreflector (de geharde siroop) raken en terugkaatsen in de zonnecel. Een bepaald deel van de fotonen die het zilver bereiken, echter, zal de nanodomes treffen en ervoor zorgen dat plasmonische golven naar buiten stromen. En daar heb je het - de allereerste plasmonische kleurstofgevoelige zonnecel.

Het licht vangen fantastisch

Het is gemakkelijk in te zien waarom onderzoekers zich richten op dunne-film zonnetechnologie. In recente jaren, veel hoop is gericht op deze lichtgewicht, flexibele cellen die lichtgevoelige kleurstoffen gebruiken om elektriciteit op te wekken. Deze cellen hebben veel voordelen:ze zijn minder energie-intensief en minder duur om te produceren, vloeien als krantenpapier van enorme rolpersen. Ze zijn zelfs dunner dan andere "dunne" zonnecellen. Ze zijn ook bedrukbaar op flexibele ondergronden die kunnen worden opgerold en vrijwel overal mee naartoe kunnen worden genomen. Velen gebruiken niet-giftige, overvloedig beschikbare materialen, ook – een enorm pluspunt in het streven naar duurzaamheid.

Kleurstofgevoelige zonnecellen zijn niet zonder uitdagingen, echter. Ten eerste, de allerbeste zetten slechts een klein percentage licht om in elektriciteit - ongeveer 8 procent. De omvangrijkere commerciële technologieën die tegenwoordig beschikbaar zijn, hebben een efficiëntie van 25 procent bereikt, en bepaalde geavanceerde toepassingen hebben de 40 procent overtroffen. En dan is er de duurzaamheid. De nieuwste dunne zonnecel gaat ongeveer zeven jaar mee onder continue blootstelling aan de elementen. Niet slecht totdat je bedenkt dat 20 tot 30 jaar de commerciële norm is.

Zowel de efficiëntie als de betrouwbaarheid zullen moeten verbeteren. Niettemin, ingenieurs zoals McGehee geloven dat als ze slechts 15 procent van het licht in elektriciteit kunnen omzetten - een cijfer dat niet buiten bereik is - en de levensduur tot tien jaar kunnen verkorten, misschien bevinden we ons binnenkort in het tijdperk van persoonlijke zonnecellen. Een opmars zoals plasmonica zou misschien wel de vonk kunnen geven die nodig is om het veld een nieuw en opwindend pad te geven.

Een kwestie van economie

Goedkoper en schoner zullen de sleutels zijn. Op kolen gebaseerde energie is overvloedig en goedkoop, maar brengt ook hoge milieukosten met zich mee in uitgeholde landschappen en vervuilde luchten. Tegen de huidige commerciële tarieven, echter, zelfs de beste alternatieven voor zonne-energie kosten vijf keer meer per kilowattuur dan steenkool. Het is duidelijk dat economie, en geen technologie, is wat tussen ons en onze zonne-toekomst staat.

Maar McGehee en anderen zijn ervan overtuigd dat ze dunne zonnecellen aantrekkelijker kunnen maken.