Nove mikro solarne celice za oblačila, ki proizvajajo elektriko

Sandia Nacionalni laboratoriji znanstveniki so razvili majhno fotonapetostno celico velikost bleščice, ki bi lahko popolnoma spremenila način zajemanja in uporabe sončne energije.

Mikro solarne celice lahko človeka spremenijo v premikajoči se polnilnik, če so nameščene na gibljivih podlagah in prilagojene oziroma krojene za takšno uporabo, na primer kot oblačila. Solarni delci, izdelani iz kristalnega silicija skrivajo potencial za cel niz novih aplikacij. Pričakujejo, da bodo sčasoma cenejši in bodo hkrati bolj učinkoviti kot sedanji fotovoltaični zbiralniki, ki so sestavljeni iz rezin silicija površine 6 kvadratnih inč (230 cm2). Celice so izdelane z uporabo mikroelektronskih in mikroelektromehaničnih sistemov (MEMS), tehnike, ki je značilna za današnje elektronske livarne.

Vodja raziskav podjetja Sandia Greg Nielson je povedal, da je raziskovalna skupina ugotovila več kot 20 prednosti njihovih mikrofotovoltaičnih celic. Te vključujejo možnosti novih aplikacij, izboljšane zmogljivosti, možnosti za zniževanje stroškov ter večjo učinkovitost.

»Nenazadnje lahko enote serijsko proizvajamo in jih prilagajamo nenavadnim površinam za v zgradbe integrirane sončnim sistemom, šotorom in morda celo oblačilom,« je dejal. To prednost bi bilo mogoče izkoristiti v aplikacijah za lovce, pohodnike in vojaško osebje na terenu za napajanje baterij za telefone, fotoaparate in druge elektronske naprave, med tem, ko se premikajo ali počivajo.

Še več, lahko imajo vgrajena tudi vezja za opravljanje dodatnih nalog, ki so običajno prepuščene obsežnim načrtovanjem gradenj s spremljajočo potrebo načrtovanja na področju projektiranja in gradbenih dovoljenj.

Said Sandia področni inženir Gupta pravi: »Fotonapetostni moduli narejeni iz teh celic mikro velikosti za strehe domov in skladišč lahko vsebujejo že inteligentni nadzor, inverterje in celo skladiščenje energije zgrajene na ravni čipa. Tak integriran modul lahko močno poenostavi težavno oblikovanje in ponudbo, dovoljenja in proces integracije v omrežje, s katerim se naša ekipa za tehnično pomoč pri solarnih sistemih ves čas srečuje.«

Za velike sisteme pridobivanja električne energije je raziskovalec Sandia Murat Okandan dejal: »Ena od največjih prednosti pri njih je znatno zmanjšanje proizvodnih stroškov in stroškov montaže v primerjavi s sedanjimi tehnikami fotovoltaike.«

Del potencialnih stroškov odpade tudi zato, ker se za mikro celice porabi relativno malo materiala, vendar tako vseeno lahko izdelajo optimalno krmiljene in visoko učinkovite naprave.

Z debelino od 14 do 20 mikrometrov (človeški las je debel približno 70 mikrometrov), so mikrocelice 10-krat tanjše od običajnih 6 x 6-palčnih celic velikosti zidaka (brick-sized cells, BSC v nadaljevanju), vendar so približno enako učinkovite.

100-krat manj silicija ustvarja enako količino električne energije

»Za mikro celice porabimo 100-krat manj silicija za proizvodnjo enake količine električne energije,« je dejal Okandan. »Ker so veliko manjše in imajo v danem okolju manj mehanskih deformacij od običajnih celic, so lahko tudi dolgoročno bolj zanesljive.«

Druga prednost pri njihovi proizvodnji je, da lahko celice, ki imajo v premeru le nekaj sto mikrometrov, izdelajo iz običajnih komercialnih rezin silicija poljubne velikosti, vključno z današnjimi 300 milimetrskimi (12-palčni) in rezin premera 450 milimetrov (18-palčnih) v prihodnosti. Poleg tega je prednost tudi ta, da lahko kljub napaki pri izdelavi ene celice ostale še vedno nemoteno opravljajo svoje delo. Če pa se to zgodi pri BSC enoti, je lahko celotna rezina neuporabna. Izdelava BSC montažnih enot, ki bi imele površino prereza večjo od običajnih 36 kvadratnih palcev (s čimer bi izkoristili prednosti večje rezine), bi zahtevala tudi izdelavo debelejših električnih vodov zaradi povečane moči, kar bi prineslo dodatne stroške in verjetno tudi delno zasenčenje rezine. Tega problema pri uporabi mikrocelic in njihovo individualizirano napeljavo ni.

Prednosti majhnih dimenzij posamezne celice je še več. »Toleranca zasenčenja zaradi različnih ovir je pri naših enotah boljša od običajnih foto voltaičnih enot,« je dejal Nielson, »saj bodo deli naših enot, ki niso v senci, še naprej pošiljali električno energijo, medtem ko bi se običajne enote v takšnih pogojih že v celoti izključile.«

Ker so izdelani na prožnih podlagah, jih lahko hitro polagajo in tako postaja fotovoltaika z visokim izkoristkom za izrabo povsod prisotne sončne energije vse bolj dostopna, je dejal Okandan.

Komercialni prehod na fotovoltaične mikro celice bi predstavljala v primerjavi z BSC fotovoltaičnimi moduli dramatično spremembo. Vendar pa bi bil lahko z določenimi spremembami v tehnikah, ki se običajno uporabljajo v MEMS, elektroniki in industriji za polprevodniško (LED) razsvetljavo (z dodatnim delom, ki uporablja galijev arzenid namesto silicija), prehod na mikro celice razmeroma enostaven,« je dejal Gupta.

Vsaka celica se izdela na rezini silicija, jedka in nato pošilja na trg v dokaj poceni šestkotnih oblikah. Vgrajene imajo električne priključke in jih izdelajo po postopkih, ki jih poznamo iz proizvodnje integriranih vezij ter MEMS. V primerjavi s konvencionalnimi celicami, izdelanimi iz velikih rezin kristalnega silicija, lahko električno energijo s Sandia mikrocelicami pridobivamo s 14,9 odstotka učinkovitosti. Komercialni moduli, ki so v tem trenutku na tržišču imajo od 13 do 20 odstotno učinkovitost.

Današnji polagalni stroji (pick-and-place), ki se masovno uporabljajo za montažo elektronskih komponent, lahko položijo do 130.000 kosov mikrocelic na uro na električne kontaktne točke, ki jih pred tem izdelajo na substratu; polaganje se izvaja pri nižjih temperaturah. Stroški znašajo približno eno desetino centa na kos. En modul vsebuje število celic, ki je določeno s stopnjo koncentracije in optične velikosti rezine silicija, ki ima lahko od 10.000 do 50.000 celic na kvadratni meter. Nadomestna tehnologija, ki je še vedno v fazi laboratorijskih preizkusov, bo vsebovala tudi samo-sestavljanje delov s še nižjimi stroški proizvodnje.

Solarni koncentratorji (poceni, predhodno izdelani, optično učinkoviti nizi mikro leč) se lahko namestijo neposredno nad vsako mikro celico za povečanje števila prihajajočih fotonov, ki se v celici s pomočjo fotovoltaičnega učinka pretvorijo v elektrone. Majhnost celic v tem primeru pomeni, da se v ta namen lahko izdelujejo in uporabljajo cenejši in bolj učinkoviti nizi leč s kratko goriščno razdaljo. Zaradi velikega števila vgrajenih celic v matriki je mogoče doseči višje izhodne napetosti neposredno iz modulov. To bi zmanjšalo stroške za kabelske povezave med moduli zaradi manjših prevodnih izgub pri višjih napetostih.

Druge možnosti za aplikacije na osnovi te tehnologije so sateliti in daljinsko zaznavanje.

Projekt združuje strokovno znanje in izkušnje iz podjetij Microsystems Sandia’s Center; Photovoltaics and Grid Integration Group; the Materials, Devices, and Energy Technologies Group; and the National Renewable Energy Lab’s Concentrating Photovoltaics Group.

Poleg gospodov Nielsona, Okandana in Gupta, pri tem procesu sodelujejo še Jose Luis Cruz-Čampa, Paul Resnick, Tammy Pluym, Peggy Clews, Carlos Sanchez, Bill Sweatt, Tony Lentine, Anton Filatov, Mike Sinclair, Mark Overberg, Jeff Nelson , Jennifer Granata, Craig Carmignani, Rick Kemp, Connie Stewart, Jonathan Wierer, George Wang, Jerry Simmons, Jason Strauch, Judith Lavin in Mark Wanlass (NREL).

Dela podpira DOE’s Solar Energy Technology Program in Sandia’s Laboratory Directed Research & Development program in je bil letos predstavljen že na štirih strokovnih konferencah.

Več informacij

Sandia Nacional Laboratories je več programski laboratorij, ki ga upravlja Sandia Corporation, avtonomno podjetje Lockheed Martin, za US Department of Energy’s National Nuclear Security Administration. Locirani v Albuquerque, NM, in Livermoru v Kaliforniji, ima Sandia veliko odgovornost v nacionalni varnosti, energetiki in okoljski tehnologiji in gospodarski konkurenčnosti.