Hoci je nový materiál podstatne ľahší a pružnejší ako kremík, pri použití v solárnych paneloch sa môže pochváliť rovnakou účinnosťou. Skupina výskumníkov zo Stanfordskej univerzity vyvinula flexibilný solárny článok vyrobený z ultratenkých dichalkogenidov prechodných kovov (TMD) - a možno sa mu podarí zosadiť kremík z pomyselného trónu kráľa fotovoltických článkov.

Kremík v súčasnosti tvorí takmer 95 % súčasného solárneho priemyslu a to najmä vďaka nízkym výrobným nákladom a takmer 30 % účinnosti premeny energie. Hoci je TMD na trhu so solárnou energiou už dlhší čas, až v poslednom čase sa o ňom uvažuje ako o vhodnom ekvivalente ku kremíku, čo sa tíka využívania solárnej energie.

TMD sa vyrovná kremíku v účinnosti solárnych panelov

V minulosti bola účinnosť premeny energie (PCE) TMD obmedzená na 0,7 % čo bolo veľmi málo v porovnaní s 30 % PCE kremíka. Teraz však výskumníci zo Stanfordu zistili, že TMD diselenid volfrámu poskytuje účinnosť premeny energie 5,1 %, ktorá sa môže zvýšiť až na 27 % s určitými optickými a elektrickými vylepšeniami. Toto číslo je takmer rovnocenné s tradičnými solárnymi panelmi, ktoré sú dnes dostupné na trhu.

Profesor Krishna Saraswat (vľavo) a Dr. Koosha Nassiri Nazif (vpravo) zo Stanfordskej univerzity spolu s obrázkom zlúčeniny diselenidu volfrámu držanej pinzetou.

"V elektrických obvodoch si môžete solárne panely TMD predstaviť ako zberače energie," povedal spoluautor Dr. Koosha Nassiri Nazif. "Môžu premieňať vnútorné a vonkajšie svetlo na elektrickú energiu na automatické dobíjanie batérií v systéme alebo na priame napájanie obvodu, či už ide o nositeľné inteligentné hodinky alebo elektrický motor autonómneho dronu."

Výzvy súčasného fotovoltaického výskumu

Tento výskum hovorí o výzvach v oblasti účinnosti kremíkových solárnych panelov - jednej z hlavných problémov v solárnom priemysle. Ak sa má solárna energia považovať za primárny zdroj energie, musí sa výrazne zlepšiť PCE týchto panelov (v súčasnosti 30 %). Kremík je veľmi tuhý, ťažký a objemný materiál, preto môže byť relatívne neefektívnym materiálom pre aplikácie, ako sú vesmírne technológie alebo nositeľné zariadenia, ktoré potrebujú ľahký a flexibilný substrát. Mnohé materiály s vyššou účinnosťou sú odložené na neskoršie, pretože ich nie je možné jednoducho vyrábať vo veľkom meradle so ziskom. Zároveň samotné kremíkové solárne panely musia byť neustále monitorované z hľadiska určitých fyzikálnych vlastností, ako je odolnosť voči vlhkosti, čo z nich robí veľmi nespoľahlivý zdroj energie.

Čo sú dichalkogenidy prechodných kovov?

Podľa spoluautorov, Dr. Koosha Nassiriho a Dr. Alwina Dausa, bolo nájdenie vhodného kontaktného materiálu jednou z najväčších výziev tohto výskumu. Dichalkogenid prechodného kovu alebo TMD vzniká vtedy, keď prechodný kov vytvorí kovalentnú väzbu s chalkogénmi, čím vznikne ich zlúčenina. TMD sú dvojrozmerné materiály schopné vytvárať plošné štruktúry rozprestierajúce sa na palce, pričom ich hrúbka je menšia ako 1 nanometer. Tieto vlastnosti z nich robia užitočného kandidáta pre flexibilné ultratenké solárne články.

Schéma prierezu zariadenia.

Výskumníci zo Stanfordu vytvorili prototyp TMD diselenidu volfrámu mechanickou exfoliáciou substrátu Si/SiO2. Grafén, dvojrozmerná forma uhlíka, bol navrstvený diselenidom volfrámu, ktorý bol ďalej spinálne pokrytý polyimidovým substrátom a antireflexnou vrstvou, ktorá výrazne zlepšila absorpciu svetla.

Vďaka mimoriadnej tenkosti TMD diselenidu volfrámu sa minimalizuje množstvo potrebných materiálov pre solárne články. Je ho možné aj formovať do rôznych asymetrických tvarov a z elektrického hľadiska má volfrám-diselenidový TMD približne 10x lepší PCE a 100x lepší špecifický výkon (P_s) ako akýkoľvek iný TMD, ktorý bol doteraz vyrobený. P_s je v tomto prípde kľúčovým parametrom pre solárne fotovoltaické články. pretože je to miera výkonu na gram (alebo kilogram) solárnej sústavy.

Tradičné TMD majú PCE menej ako 0,7 % a P_s menej ako 0,04 Wg^-1, zatiaľ čo TMD s diselenidom volfrámu má PCE 5,1 % a Ps 4,4 Wg^-1.

Účinnosť konverzie energie (PCE) a špecifický výkon (výkon na hmotnosť) ľahkých a flexibilných tenkovrstvových solárnych technológií.

Špecifický výkon možno ďalej zvýšiť na 8,6 Wg^-1 znížením hrúbky polyimidového substrátu na 1 µm. Optickou simuláciou sa ukázalo, že absorpciu vo vrstve WSe₂ možno zvýšiť až na 80 % zvýšením hrúbky MoO_x na 70 nm.

Výskum pred solárnymi panelmi TMD

Jedným z hlavných odvetví využívajúcich solárne panely je vesmírny priemysel. Solárne panely, ktoré sa v súčasnosti používajú v kozmických lodiach, musia byť rozložené tak, aby sa zmestili do geometrických obmedzení nosnej rakety. Zavedením flexibilných solárnych článkov TMD by sa však táto úloha mohla stať veľmi jednoduchou. Vysoký výkon a nízka hmotnosť môže znížiť celkovú hmotnosť satelitu, čo spôsobí zníženie celkových nákladov na jeho vypustenie. Solárne články TMD by mohli slúžiť aj ako primárny zdroj energie aj v nositeľných zariadeniach - zdravotníckych aj nezdravotníckych - vďaka netoxickým a ekologickým materiálom, ktoré sa používajú na ich výrobu.

Jednou z hlavných výziev TMD je podľa výskumníkov syntéza materiálu vo veľkom meradle pri zachovaní jednotnosti a kvality. Ďalší výskum je potrebný aj na zistenie percenta absorpcie pri interakcii slnečných lúčov so zlúčeninou pod rôznymi uhlami.

Zdroj : Stanford Researchers Develop Material That Could Rival Silicon in the Solar Market