Jste zde

Nanotrubičky v solárních článcích - 1. díl

Antonín Vojáček, 21. Květen 2010 - 22:09

Stále někde čteme, že nanotrubice jsou velmi převratná technologie. Ale k čemu se konkrétně hodí? V následujícím dvoudílném článku si ukážeme jejich možné použití pro různé části struktury solárního článku. Dá se říct, že se dají použít na všech úrovních struktury, přičemž na různém místě pokaždé využívají jinou z jejich výjimečných vlastností.

O možnostech nejrůznějšího využití nanotrubiček v našem okolí i ve vědě, a to nejen těch uhlíkových, bylo již napsáno mnohé. Velký potenciál tohoto specifického materiálu se snaží vědci využít i v případě konstrukce solárních článků. Aktuálně se výzkum a vývoj v tomto směru ubírá převážně následujícími třemi směry použití:

  • nanotrubičky jako vrchní AR vrstvy solárních článků zajišťující lepší absorpci světla
  • nanotrubičky jako průhledné vodivé elektrody
  • nanotrubičky jako hlavní konstrukční prvek, jako převodník světla na elektrický proud

Pojďme se na jednotlivé směry podívat blíže.

Nanotrubičky jako svrchní vrstva článků

Nanotrubičky nemusí sloužit vždy jen jako aktivní prvek, ale velmi dobře je lze použít i jen jako vodiče či „usměrňovače“ dopadajícího světla. Již několik vědeckých a vývojových center potvrdilo možnost využít uhlíkové nanotrubičky jako „lapač“ světla na povrchu solárních článků. Problém aktuální nízké účinnosti současných solárních článků není jen v samotném mechanismu převodu světla na elektrických proud, tedy v aktivní vrstvě článků, ale také v nevhodném chování světla při kontaktu se svrchní vrstvou. Pokud se totiž světlo o horní plochy článků odrazí a neabsorbuje dovnitř struktury, může být účinnost převodu klidně 100 % a přesto nemusíme získat téměř žádnou energii. Prostě když není přítomna vstupní surovina, zde tedy fotony světla, není co zpracovávat. Toto je hnací motor mnoha vědeckých týmů a jeden z potenciálů využití nanotrubiček. Ty se totiž díky svým nanometrových rozměrům chovají ve světle jinak než jiné dosud známé materiály. Hustě k sobě postavené trubičky totiž vedou jednotlivé fotony jako kanály až do aktivní oblasti, kde se o jejich využití již „postará“ například běžný polovodičový p-n přechod.

Fotografie jednoho z možných provedení nanotrunbičkové antireflexní vrstvy

Taková speciální tenká vrstva (50 až 100 nm) je schopna snížit odrazivost povrchu, resp. zvýšit absorpci světla až o 30 %. Navíc je toho možné dosáhnout v celém širokém spektru vlnových délek slunečního světla, včetně infračervené oblasti. Také mohou mít stejnou absorpci světla nezávisle na úhlu jeho dopadu, zatímco běžné vrchní vrstvy solárních článků umožňují absorbovat převážně jen kolmo dopadající paprsky, případně jen z úzkého směru a při ozáření z jiných úhlů je většina světla odražena zpět do okolí. Některé nanotrubičkové vrstvy tak zároveň mohou fungovat jako speciální čočky, které směrují dopadající světlo z různých úhlů na stejné místo struktury článku. Zatímco tedy běžné solární panely je nutné pro získání maximálního množství elektrické energie postupně otáčet, aby byly neustále kolmo k slunci, u solárních článků vybavené touto nanovrstvou by to již nebylo nutné a přesto by si stále udržovaly stejnou účinnost přeměny. Tím by se výrazně zvedla účinnost nejen pevně umístěných panelů např. na střechách domů, ale i na pohyblivých objektech.

Praktickými testy tzv. nanotrubičkových AR (AntiReflexních) krycích vrstev byl zjištěn nežádoucí odraz světla jen 1 % až 6 % v celém viditelném spektru světla i v části infračerveného pro úhly dopadu světla 0 až +/- 60°. To je velmi dobrá hodnota. V praxi to tedy znamená, že až cca 96 % slunečního záření přejde do struktury solárního článku, kde je možné ho přetransformovat na elektrický proud. V opačném případě, tj. bez této AR vrstvy, projde jen cca 49 % světla. To v praxi může znamenat zvýšení 20 % účinnosti běžného solárního článku až na účinnost přes 40 %! Toto je myslím dost významná praktická ukázka faktu, že nemá cenu se jen „honit“ za zvýšením účinnosti samotné přeměny fotonů na el. proud, když není kvalitně vyřešen vstup světla do struktury.

Nanotrubičky ve formě svrchní antireflexní vrstvy lomí světlo do článku


3D nanostruktura solárního článku

Největší novinkou konce minulého roku jsou výsledky laboratoře elektro-optických systémů výzkumného institutu GTRI (Georgia Tech Research Institute), který běžnou polovodičovou PN strukturu solárního článku umístil na vrchní strany „kostkované“ struktury stojících uhlíkových trubiček. Konkrétně na kvádry s půdorysem rozměrů 40 x 40 mikrometrů a vysoké cca 100 mikrometrů, které jsou od sebe oddělené mezerami šířky 10 mikrometrů. Každý tento blok přitom obsahuje miliony vertikálně umístěných trubiček. Ve výsledku tak struktura povrchu tohoto solárního článku není rovná, ale pravidelně členitá a někomu může připomínat americké mrakodrapové město z leteckého pohledu.

Světlo, které na tento povrch dopadá do mezer mezi bloky a to i šikmo, se nemůže odrazit ven ze struktury a je tedy „nuceno“ se absorbovat do polovodičové struktury článku. Zatímco hladká plocha běžných solárních článků odráží velké množství světla pokud dopadá pod větším úhlem, v případě této tzv. 3D struktury se absorpce s úhlem dopadu mění výrazně méně. To by v praxi znamenalo možné zjednodušení solárních elektráren, protože by již nebylo nutné panely natáčet, čímž by se nejen zjednodušila nosná konstrukce panelů, ale i odstranila spotřeba elektřiny samotným polohovacím systémem. Navíc tato struktura není ani příliš náročná na výrobu a pomocí technologií využívané pro polovodičové součástky snadno prakticky zvládnutelná. To je hlavní výhoda této struktury. Uhlíkové nanotrubičky zde prakticky zastávají funkci nosné konstrukce a vodiče volných vygenerovaných elektronů na kovové elektrody pod nimi. Výzvou této struktury pro vývojáře je pak nalezení vhodného poměru rozměrů výčnělků a prohlubní pro maximalizování absorpce světla.

 

Princip provedení 3D nanostruktury solárního článku (vlevo) a příklad jejího reálného řezu s naneseným polovodičem CdTe (vpravo).

Pokračování příště ...

V příštím 2. díle se podíváme na nanotrubičky použité jako transparentní elektrody a žhavou novinku v podobě kompletní nanotrubičkového principu solárního článku.

Druhý díl článku najdete na serveru automatizace.hw.cz: Nanotrubičky v solárních článcích - 2. díl

Poznámka: Celý článek ve omezené délce se nachází v aktuálním 2. čísle časopisu Elektroinstalatér, ročník 2010.

 

Antonín Vojáček

DOWNLOAD & Odkazy

  • David Hecht: "Transparent Carbon Nanotube Films Likely Successor to ITO for Commercial Applications", www.physorg.com/news158587561.html
  • Silke Diedenhofen a Jaime Gómez Rivas: "Harvesting light using nanostructured surfaces", FOM Institute for Atomic and Molecular Physics AMOLF, 2009
  • Arun Tej M.: “CARBON NANOTUBE BASED ORGANIC SOLAR CELLS“
  • Mike Priaulx: „Solar Cells and Nanotechnology“
  • James Throckmorton:“Nano Solar Cell: A High Efficiency Carbon Nanotube-Based Photovoltaic Device “
Hodnocení článku: 

Komentáře

Anonymous (neověřeno) - 26. Květen 2010 - 10:32

"Stále někde čteme, že nanotrubice jsou velmi převratná technologie? Ale k čemu se konkrétně hodí. " Neměla být za první větou tečka a za druhou otazník?
"výmečných" se píše výjimečných.
"Pokud se totiž světlo o horní plochy článků odrazí" nemělo tam být "od" a ne "o"?

určitě jsem nevypsal všechno, příště prosím dejte článek někomu přečíst před zveřejněním.

Při psaní komentářů se mi nezobrazují obrázky