Ränist nanoauk-päikeseelemendid

Taastuvate energiaallikate kasvava nõudluse tõttu on fotogalvaanilised päikeseelemendid viimase kümnendi jooksul suure arengu läbi teinud. Alates 2002. aastast on fotogalvaaniliste seadmete tootmine terves maailmas iga kahe aasta järel kahekordistunud, mitõttu on see maailmas kiireimini kasvav energiatehnoloogia. Siiski on fotogalvaaniliste seadmete energiamuundamise efektiivsus liiga madal, et konkureerida hinnalt fossiilkütustega, mistõttu pole seda laialdaselt edasiarendatud.

Soovides seda muuta töötasid teadlased hiljuti välja uudse ränist päikeseelemendi, millel on unikaalne nanoaukudest struktuur, aukude diameetriks on kõigest 500-600 nanomeetrit. Saades energiamuundamise efektiivsuseks 9,5 protsenti, on uuel disainil kordades suurem võimsus võrreldes teiste fotogalvaaniliste ränist elementidega, näiteks nanojuhtmete, nanotorude või teiste optiliselt aktiivsete nanostruktuuridega päikeseelementidega. Neist parimate efektiivsus on kõigest veidi üle viie protsendi.

Uurimuse läbi viinud teadlased Kui-Qing Peng Pekingi Normal’i Ülikoolist, Shuit-Tong Lee Hong Kongi Linnaülikoolist ning nende kolleegid avaldasid oma tulemused viimases Journal of the American Chemical Society väljaandes. Eksperimentides kasutasid nad räniplaatidesse nanoaukude tekitamisel kombinatsiooni ultraviolett-litograafiast ning metall-katalüüsitud mitteelektrilisest räni söövitamisest.

Teadlaste seletuste kohaselt seisneb nanoaukudega päikeseelementide efektiivsuse suurendamise võti faktis, et nanoaukude kihid neelavad valgust paremini kui nanojuhtmed. Vertikaalselt paiknevad p-n siirded võimaldavad voolul läbida ühenduste vahel vaid lühikesi vahemaid, mis annabki efektiivse voolu. Lisaks on nanoaukudega päikeseelemendid võrreldes tavapäraste päikeseelementide struktuuridega mehaaniliselt ülitugevad. Haprusega seotud probleemid on fotogalvaaniliste rakenduste jaoks minevikus suurteks tagasilöökideks osutunud.

,,Nanoaukudega päikeseelementidel on võrreldes haprate nanojuhtmetest elementidega tugevam struktuur, suurem valguse neeldumisvõime ning suuremat voolukandjate hulka koguvad p-n siirded,” selgitas Lee.

Kokkuvõttes demonstreerivad uurimustöö tulemused nanoauk-struktuuri potentsiaali suure efektiivsusega ning tulusate fotogalvaaniliste päikeseenergia muundamise rakenduste seas. Teadlastel on plaanis efektiivsust veel mitmel viisil suurendada, näiteks parandada seadmete valguskiirte püüdmise võimet, muuta pinda passiivsemaks, et vähendada pinnamuutuste teket ning võtta kasutusele paremad elektrilised kontaktid.

Suure optilise neeldumusega ning suuremat hulka voolukandjaid koguvate nanoauk-struktuuridega päikeseelemente on võimalik toota kasutades väiksemas koguses ränimaterjale ning madalama kvaliteediga räni. Sellised eelised viivad efektiivsemate ning odavamate päikesepatareideni, pakkudes konkurentsi nii efektiivsuselt tavapärastele silikonplaatidest elementidele kui ka hinnalt fossiilkütustest saadavale energiale.

Allikas

Teadusartikkel “High-Performance Silicon Nanohole Solar Cells.”