Rise & Shine: Rekod Kecekapan Suria Telah Dikecewakan Dengan Kemajuan Baru

Masa untuk Meningkat dan Berkilau: Rekod Kecekapan Suria Telah Dikecewakan Dengan Kemajuan terkini

Bulan lepas, seorang penyelidik di Makmal Tenaga Diperbaharui Kebangsaan di Golden, Colo., Memuatkan sel suria bersaiz pasang pada dulang dan meletakkannya di bawah simulator solar nadi intensiti tinggi. Simulator ini menyentuh denyut nadi milis 2.5, dan cermin 19 mencerminkan foton ke sel. Untuk beberapa milisaat lagi, data disalurkan menerusi sarang gelang wayar ke dalam komputer NREL. Penyelidik melancarkan dan membetulkan nombor tersebut dan penyelia prestasi peranti Keith Emery mengesahkannya: Rekod dunia baru untuk kecekapan photovoltaic solar telah ditetapkan.

Di kawasan yang tinggi, fotovoltaik dunia yang sangat teknikal, skor disimpan sebagai peratus tenaga solar mentah yang memukul sel yang ditukar kepada elektrik. Kerana makmalnya adalah satu-satunya di Amerika yang disahkan oleh Suruhanjaya Elektroteknik Antarabangsa untuk menguji kecekapan sel suria, Emery adalah penjana suria tidak rasmi negara.

Kami dalam tempoh Renaissance penyelidikan fotovoltaik, di mana inovasi berterusan memacu kecekapan merentas semua jenis sel suria - dari silikon kristal yang paling konvensional, kepada filem kadmium telluride nipis, kepada banyak penemuan-tentang penemuan-penemuan baru seperti sel perovskite. Rekod dunia sedang dipecahkan pada kadar yang tidak menentu, dan penyelidik di belakang pencatat rekod terbaru ini tahu lebih baik daripada meraikan terlalu lama.

Grail Holy Solar: Grid Parity

Hampir semua orang dalam komuniti fotovoltaik - walaupun mereka yang tersisa dalam debu oleh inovasi terkini - bersetuju bahawa satu-upmanship yang berterusan ini adalah satu perkara yang sangat baik. Bagi industri solar, penilaian kecekapan jauh lebih besar daripada hak bercakap atau makanan untuk cadangan geran penyelidikan. Mereka adalah kunci untuk bergerak lebih dekat kepada "grid parity" - titik di mana fotovoltaik elektrik menghasilkan kos yang sama seperti (atau kurang daripada) bahawa dari arang batu dan tumbuh-tumbuhan gas asli.

"Apabila anda boleh membangunkan sel solar yang mempunyai kecekapan yang tinggi, anda membuka tabungan di seluruh papan," kata ahli fizik John Rogers dari University of Illinois di Urbana-Champaign, seorang pemimpin yang sangat dihormati dalam penyelidikan fotovoltaik. "Anda mengurangkan bilangan modul yang anda bina. Anda mengurangkan kos pemasangan. Kos penyelenggaraan turun. Jumlah tanah yang anda perlukan turun. "

Peraturan praktikal di dunia tenaga solar ialah fotovoltaik dapat bersaing secara langsung dengan arang batu dan gas asli apabila pengeluaran elektrik mereka mencapai $ 1 per watt. "Asumsi asas ialah apabila anda membawa sesuatu ke pariti grid, penerimaan teknologi lebih baik, "kata Ramamoorthy Ramesh, pengasas pengasas Program SunShot Jabatan Tenaga AS, yang dilancarkan di 2011 dengan misi membawa kos tenaga suria turun untuk menemui atau mengalahkan kos elektrik daripada bahan api fosil.

Peraturan praktikal di dunia tenaga suria adalah fotovoltaik dapat bersaing secara langsung dengan arang batu dan gas asli apabila pengeluaran elektrik mereka mencapai $ 1 per watt. Pada masa SunShot bermula, kos elektrik PV solar adalah $ 5 per watt. Tiga tahun lagi, laporan Ramesh telah menurunkan kos kepada kira-kira $ 2.80 per watt.


Dapatkan yang terbaru dari InnerSelf


Walau bagaimanapun, sebahagian besar buah gantung yang rendah untuk penjimatan kos telah dipilih, dan suria panel solar Cina telah menjadi pemacu kebolehupayaan solar. Untuk mencukur seterusnya $ 1.80, menghasilkan sel dengan kecekapan yang lebih tinggi dan memindahkan penemuan-penemuan dari makmal ke dunia nyata akan menjadi penting.

"Dengan photovoltaic, kita tahu apa yang perlu dilakukan," kata Ramesh. "Kita perlu mengurangkan kos pembuatan dan meningkatkan kecekapan."

Solar menawarkan banyak peluang untuk kecekapan

Peluang untuk meningkatkan kecekapan adalah banyak. Satu tumpuan penting ialah bahan semikonduktor yang digunakan untuk menangkap tenaga cahaya dan menjadikan ia arus. Setiap bahan yang digunakan sebagai semikonduktor mempunyai kekuatan dan batasan yang unik berkaitan dengan kecekapan, biasanya kerana masing-masing adalah yang terbaik untuk menyerap segmen tertentu spektrum cahaya semulajadi - jadi carian terus digunakan untuk bahan yang dapat dilakukan dengan lebih baik.

Untuk memaksimumkan kecekapan, para jurutera sentiasa merenung dengan setiap aspek sel mikroskopik ini. Faktor lain mempengaruhi kecekapan akhir sel juga: bagaimana bahan semikonduktor merendahkan masa, bagaimana senibina sel membolehkan penyerapan, bagaimana aptly elektrod menangkap semasa semikonduktor mencipta dan mengarahkannya ke penggunaan yang produktif sebagai elektrik. Untuk memaksimumkan kecekapan, para jurutera sentiasa merenung dengan setiap aspek sel-sel mikroskopik ini - mengubah kimia dan reka bentuk untuk menghasilkan arus dan voltan terbaik.

Kerana pelbagai kecekapan potensi bahan dan reka bentuk yang berbeza, skor kecekapan penetapan rekod untuk kelas sel photovoltaic tertentu mungkin jauh lebih tinggi daripada yang lain. Sel-sel suria filem tipis yang terbaik di dunia melebihi peratus 23, manakala sel-sel berasaskan silikon terbaik mencapai sekitar 26 peratus dan sel-sel paling banyak junction (yang menggunakan pelbagai jenis semikonduktor disusun di atas satu sama lain) akan membersihkan peratus 44 .

Tetapi sel pelbagai junction jauh lebih mahal untuk menghasilkan, dan tidak boleh benar-benar digunakan dalam tetapan bumbung yang meluas. Oleh itu, sel silikon yang log lebih baik daripada kecekapan peratus 25 adalah setiap bit yang menarik dan menjanjikan sel berbilang junction yang memasuki 40.

Bolehkah Kami Mengharap Peningkatan Berterusan dalam Kecekapan Suria?

Apabila anda memaparkan panel solar - di atas bumbung atau di ladang photovoltaic yang luas - kemungkinan anda mempunyai imej silikon kristal di kepala anda. Selama beberapa dekad, silikon telah menjadi fotovoltaik di seluruh dunia, setakat ini semikonduktor yang paling biasa untuk sel solar. "Silikon telah sekitar 80 hingga 90 peratus daripada pasaran untuk sesuatu seperti tahun 20," kata Sarah Kurtz, pengurus Kumpulan Kelayakan di NREL.

Melalui dekad-dekad ini, kecekapan sel-sel silikon telah meningkat dengan mantap, namun perlahan-lahan, dan sikap yang lazimnya adalah bahawa tidak ada kecekapan yang lebih banyak yang dapat ditarik keluar dari silikon. Sehingga baru-baru ini.

Syarikat silikon yang mula-mula, TetraSun, mempunyai penyelidik NREL dan para pesaing melihat merah. Dengan mengubah beberapa konvensional silikon di telinga mereka, TetraSun mencatatkan kecekapan peratus 21 hanya dalam bulan kerja 18. Walaupun itu mungkin tidak seperti banyak, ia sudah pun menewaskan sel silikon yang dicetak skrin biasa - setakat yang paling biasa anda lihat di atas bumbung - dengan beberapa mata peratusan yang serius.

Sebahagian daripada rahsia TetraSun adalah beberapa atlet prestasi yang terkenal: doping. Semua wafer silikon dihidupkan (dirawat secara kimia), tetapi sel-sel TetraSun yang dikenali sebagai "N-jenis" dihidupkan dengan fosforus. Ini menghalang sel-sel daripada mengalami degradasi yang disebabkan oleh cahaya yang sama yang melanda wafer konvensional-doped wafer "P-jenis", membantu mengekalkan kecekapan tinggi lebih lama ke dalam jangka hayat panel.

Usaha sedemikian untuk menggantikan bahan-bahan yang kurang mahal untuk komponen mahal menjadi semakin penting apabila syarikat melihat untuk membina pemasangan fotovoltaik solar yang lebih besar.

Sel-N jenis TetraSun juga mempunyai dua sisi, yang menampilkan beberapa seni bina pintar yang membolehkan semikonduktor menangkap cahaya matahari tidak langsung yang melepaskan bahagian bawah modul. Dan, di atas itu, TetraSun menukar rangkaian perak yang melambaikan hadapan panel fotovoltaik silikon biasa, memancarkan arus elektrik dari sel, untuk elektrod tembaga. Ia tidak begitu mudah - selama berbulan-bulan dan bulan Jurutera TetraSun bekerja dengan pakar-pakar NREL untuk memikirkan bagaimana untuk mendapatkan tembaga, bahan yang agak tidak teratur, untuk berkelakuan. Akhirnya, tembaga terperangkap dalam pembentukan, garis-garis gridded kira-kira satu-dua puluh kelima lebar rambut manusia.

Usaha sedemikian untuk menggantikan bahan yang kurang mahal untuk komponen yang mahal menjadi semakin penting apabila syarikat melihat untuk membina pemasangan fotovoltaik suria yang lebih besar, penyelidik mikroskopi NREL penyelidikan Mowafak Al-Jassim memberitahu SolarReviews November lepas.

Pada bulan Februari, panel yang dilengkapi dengan sel tembaga yang dibarisi tembaga TetraSun menyerap sinar di atas bumbung pelanggan yang membayar sebenar. Syarikat itu dibeli oleh First Solar, pemain besar dalam solar komersial, yang segera melancarkan produk TetraSun sebagai barisan pertama untuk bumbung.

A Potential Rising Star: Perovskite Solar Cells

Jika penyelidik silikon cuba untuk mengajar trik baru anjing, bahan solar baru yang dipanggil perovskite adalah baka anjing eksotik baru yang menjadikan kepala dan menjatuhkan rahang. Sel perovskite (dinamakan selepas mineral yang terdapat di Pegunungan Ural) menangkap carta kecekapan lebih cepat daripada apa yang dilihat oleh dunia fotovoltaik.

Tidak sampai 2009 bahawa perovskite dianggap sebagai semikonduktor dalam sel suria. Pada masa itu, saintis Jepun yang bereksperimen dengannya mencatatkan kecekapan persen 3.8. Bulan lalu, satu pasukan di University of California-Los Angeles melaporkan peratus 19.3.

Sel perovskite "adalah satu variasi pada sel-pewarna yang sensitif, yang telah dikerjakan selama beberapa waktu," jelas Kurtz, merujuk kepada kelas-kelas baru muncul yang pada dasarnya menggantikan wafer semikonduktor keadaan pepejal dengan pewarna organik menyerap cahaya. "Hanya pada tahun lepas [penyelidik] menggambarkan kombinasi bahan yang membolehkan kecekapan yang lebih tinggi." Dan sejak itu, ia telah pergi ke kaum.

Kelebihan terbesar perovskite adalah betapa mudahnya untuk bekerjasama. Ia boleh ditanam dalam cecair dan pada asasnya dicetak ke bahan asas, membuat pengeluaran sel solar mudah dan murah yang mudah dipindahkan dari makmal penyelidikan berteknologi tinggi ke kilang-kilang.

Satu masalah: sel-sel perovskite yang paling baik dipadukan dengan plumbum, yang mungkin berfungsi dalam batas makmal yang selamat, tetapi tiada sesiapa yang akan memakai bumbung mereka. Namun, dalam bulan yang lalu, dua pasukan penyelidikan yang berasingan telah menerbitkan hasil yang menjanjikan percubaan awal menggabungkan perovskit dengan timah. Timah bukan sahaja lebih selamat dan lebih mesra alam berbanding memimpin, ia juga lebih murah.

"Timah adalah bahan yang sangat berdaya maju, dan kami telah menunjukkan bahan itu berfungsi sebagai sel solar yang cekap," kata Mercouri Kanatzidis, seorang ahli kimia di Northwestern University dalam pernyataan bulan lepas mengumumkan penemuan pasukannya. "Timah dan timah berada dalam kumpulan yang sama dalam jadual berkala, jadi kami menjangkakan keputusan yang sama."

Sama ada sel perovskite suria mencari kejayaan, sememangnya, soalan terbuka. Sel-sel belum membuktikan daya maju mereka dalam modul kaca dan logam sebenar, dan seluruh bidangnya terlalu muda untuk memahami apa yang dipegangnya dari masa ke masa.

Stacking Cells Is Another Breakthrough

Bagi Rogers, sel-sel yang menyusun adalah cara untuk memecahkan had kecekapan fotovoltaik tradisional. Mana-mana bahan sel suria yang diberikan (seperti silikon atau kadmium telluride, bentuk paling tipis filem tipis), Rogers menjelaskan, adalah hebat menyerap sebahagian terhad spektrum cahaya matahari. Kerana mereka hanya ditala ke panjang gelombang tersebut, bagaimanapun, semua sel solar asas mempunyai had teori. (Silikon Kristal adalah sekitar 29 peratus, yang diketahui dalam bidang seperti had Shockley-Queisser.)

Strategi Rogers adalah untuk menyusun bahan-bahan yang berlainan - setiap lapisan mengambil bahagian yang berbeza dari spektrum cahaya. "Cara anda meningkatkan kecekapan adalah untuk merancang sel solar yang mempunyai keupayaan untuk beroperasi merentasi pelbagai spektrum penuh yang berkaitan dengan foton yang masuk dari matahari , dan itu cukup luas, "kata Rogers.

Strategi Rogers adalah untuk menyusun bahan-bahan yang berlainan - setiap lapisan mengambil bahagian yang berbeza dari spektrum cahaya. "Anda boleh membangunkan sel solar yang berfungsi dengan baik dalam warna hijau tetapi buruk dalam warna merah," jelasnya, "tetapi kemudian menyusun satu lagi yang disesuaikan untuk beroperasi dengan berkesan di dalam warna merah."

Tumpukan semikonduktor yang dihasilkan adalah kecil - kurang dari satu milimeter persegi masing-masing - tetapi panel kaca yang terletak di atasnya mengandungi kanta yang menumpukan cahaya matahari langsung ke setiap timbunan, seperti kanak-kanak yang tidak baik yang membakar bug dengan kaca pembesar. Setiap bit cahaya yang menyentuh panel memenuhi selak sel yang kecil.

Ini disebabkan oleh microengineering - yang, untuk melampau secara brutal, melibatkan pertumbuhan setiap lapisan pada substrat yang berbeza, menumpahkan sel yang dikehendaki, "stamping getah" semikonduktor ke sel itu sendiri dan kemudian menyusunnya empat lapisan tebal - sebenarnya berfungsi. Pasukan Rogers hanya mengumumkan satu sel empat lapisan yang mencatatkan dalam makmal di kecekapan peratus 42.5.

Rogers kini bekerjasama dengan sebuah syarikat yang berpusat di North Carolina yang dipanggil Semprius untuk meletakkan sel pelbagai junction seperti ke modul siap sedia. Walaupun dengan semua peralatan yang pelbagai, modul Semprius mencapai kecekapan peratus 35, yang "benar-benar modul pelaksanaan yang terbaik di luar sana," kata Rogers. "Ia tidak dekat."

Pemilik rumah mungkin tidak akan membuat pesanan dengan Semprius, kerana modul ini bukan untuk bumbung. Mereka "paling sesuai untuk ladang suria skala utiliti, atau anda boleh bayangkan mereka dipasang di taman perindustrian dan ladang data. Kita bercakap tentang kos ultra-rendah, penjanaan kuasa berskala besar, "kata Rogers.

Kos yang cukup rendah untuk mencapai pariti grid? Siemens, peneraju solar suria Jerman, berfikir begitu. Syarikat itu merupakan pelabur awal di Semprius, dan Rogers menyebut penilaiannya terhadap teknologi "paling menginspirasi."

â € œMereka melihat dan berkata ini boleh lebih murah daripada coal.â €

Walau bagaimanapun, sejajar dengan sifat photovoltaic yang lebih baik, ini bukanlah akhir cerita: Kembali ke makmal, Rogers mengatakan bahawa dengan beberapa tweak kecil, pasukannya akan dapat memperoleh rating kecekapan lebih daripada 50 peratus. â € œKita boleh pergi jauh tanpa terobosan lain. â €

Tunggu.

Artikel ini pada asalnya muncul di Ensia


Mengenai Penulis

jervey benBen Jervey adalah seorang penulis dan editor yang meliputi iklim, tenaga, dan persekitaran. Dia menulis kerap untuk National Geographic News, Di bumi, dan DeSmogBlog. Beliau baru-baru ini bekerja dengan Focus the Nation untuk menerbitkan sebuah Tenaga 101 primer. Peminat basikal, Ben telah menunggang Amerika Syarikat dan melalui banyak Eropah.


Buku disyorkan:

Bagaimana Mengubah Dunia: Usahawan Sosial dan Kuasa Idea Baru, Edisi Dikemaskini
oleh David Bornstein.

Bagaimana Mengubah Dunia: Usahawan Sosial dan Kuasa Idea Baru, Edisi Dikemaskini oleh David Bornstein.Diterbitkan di lebih daripada dua puluh negara, Bagaimana Mengubah Dunia telah menjadi Alkitab untuk keusahawanan sosial. Ia profil lelaki dan wanita dari seluruh dunia yang telah menemui penyelesaian inovatif untuk pelbagai masalah sosial dan ekonomi. Sama ada mereka bekerja untuk menyampaikan tenaga solar kepada penduduk Brazil, atau meningkatkan akses ke kolej di Amerika Syarikat, usahawan sosial menawarkan penyelesaian perintis yang mengubah kehidupan.

Klik di sini untuk maklumat lanjut dan / atau untuk memerintahkan buku ini di Amazon.

enafarzh-CNzh-TWnltlfifrdehiiditjakomsnofaptruessvtrvi

ikuti InnerSelf pada

icon-facebooktwitter-iconrss-icon

Dapatkan Yang Terbaru Dengan E-mel

{Emailcloak = mati}

DARIPADA EDITOR

Surat Berita InnerSelf: September 20, 2020
by Kakitangan InnerSelf
Tema buletin minggu ini dapat disimpulkan sebagai "anda boleh melakukannya" atau lebih khusus lagi "kita boleh melakukannya!". Ini adalah cara lain untuk mengatakan "anda / kami mempunyai kekuatan untuk membuat perubahan". Imej…
Apa Yang Berfungsi Untuk Saya: "Saya Boleh Melakukannya!"
by Marie T. Russell, InnerSelf
Sebab saya berkongsi "apa yang sesuai untuk saya" adalah kerana ia juga berfungsi untuk anda. Sekiranya tidak seperti yang saya lakukan, kerana kita semua unik, beberapa perbezaan sikap atau kaedah mungkin menjadi sesuatu yang…
Surat Berita InnerSelf: September 6, 2020
by Kakitangan InnerSelf
Kita melihat kehidupan melalui lensa persepsi kita. Stephen R. Covey menulis: "Kita melihat dunia, bukan seperti yang ada, tetapi seperti yang kita ada, atau seperti kita dikondisikan untuk melihatnya." Jadi minggu ini, kita melihat beberapa…
Surat Berita InnerSelf: Ogos 30, 2020
by Kakitangan InnerSelf
Jalan-jalan yang kita lalui pada masa ini sama lama dengan zaman, namun masih baru bagi kita. Pengalaman yang kita lalui sudah lama seperti zaman dulu, tetapi juga baru bagi kita. Perkara yang sama berlaku untuk…
Apabila Kebenaran Sangat Mengerikan, Bertindaklah
by Marie T. Russell, InnerSelf.com
Di tengah-tengah semua kengerian yang berlaku hari ini, saya terinspirasi oleh sinar harapan yang bersinar. Orang biasa memperjuangkan apa yang betul (dan menentang apa yang salah). Pemain besbol,…