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Celle solari flessibili al silicio
Le celle solari convenzionali sono ingombranti e rigide, ma la costruzione di celle leggere e flessibili ha comportato compromessi in termini di efficienza e robustezza. Un nuovo metodo per realizzare array flessibili di minuscole celle solari al silicio potrebbe produrre dispositivi che non subiscono questi compromessi. Gli array di queste microcelle sono efficienti quanto i pannelli solari convenzionali e possono essere più economici da produrre perché utilizzano significativamente meno silicio. Le minuscole celle solari potrebbero essere incorporate, tra le altre applicazioni, nella colorazione dei finestrini e potrebbero essere utilizzate per alimentare il condizionatore d'aria e il GPS di un'auto.
Flettere il potere del silicio: Matrici di minuscole celle solari al silicio come quella in questa fotografia sono assemblate utilizzando una tecnica di stampa a trasferimento. Questi array sono efficienti quanto le celle solari convenzionali, che sono ingombranti e rigide. Ogni microcella nell'array è lunga circa 1,5 millimetri e spessa 15 micrometri.
Ricercatori guidati da John Rogers , professore di scienza e ingegneria dei materiali presso l'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign, ha utilizzato una combinazione di incisione e stampa a trasferimento per creare matrici di celle di silicio che sono un decimo dello spessore delle celle convenzionali. Hanno dimostrato molteplici possibili progetti per i pannelli solari che incorporano le microcelle, inclusi array densi abbastanza flessibili da piegarsi attorno a una matita. Potresti arrotolarli come un tappeto, trasportarli in un furgone e dispiegarli su un tetto, dice Rogers.
Il processo si basa su tecniche per realizzare elettronica flessibile che Rogers ha sviluppato negli ultimi anni. In primo luogo, i ricercatori dell'Illinois hanno inciso barre lunghe circa 1,5 millimetri, larghe 50 micrometri e spesse 15 micrometri da un wafer di silicio monocristallino. Usano un timbro fatto di un polimero morbido per raccogliere le microbarre e posizionarle su un substrato, che può essere di vetro o plastica flessibile, e quindi fabbricare interconnessioni. Rogers ha scoperto che uno spessore di cella compreso tra 15 e 20 micrometri ha raggiunto un buon equilibrio: abbastanza sottile da essere flessibile, ma abbastanza spesso da essere meccanicamente stabile ed efficiente. Le celle solari convenzionali utilizzano uno strato di silicio spesso da 150 a 200 micrometri.
Gli array delle celle hanno un'efficienza di circa il 12%. I ricercatori dell'Illinois hanno aumentato la potenza degli array di circa due volte e mezzo aggiungendo concentratori sotto forma di uno strato di microlenti cilindriche. Le migliori celle solari sul mercato convertono in energia più del 20 percento della luce solare che cade su di esse.
Questo è un buon inizio per utilizzare i wafer di silicio in modo più efficiente, afferma Howard Branz , scienziato principale nel gruppo di materiali e dispositivi al silicio presso il National Renewable Energy Laboratory, a Golden, CO. Con il loro approccio di stampa a trasferimento, afferma Branz, Rogers e il suo gruppo hanno dimostrato per la prima volta come tali celle sottili potrebbero essere prodotte su grandi aree.
Le celle solari flessibili realizzate con un'altra forma di silicio, chiamato silicio amorfo, hanno trovato posto in applicazioni di nicchia in cui il peso ridotto è fondamentale. Tuttavia, queste celle non sono state ampiamente utilizzate perché sono molto meno efficienti del silicio cristallino utilizzato nelle celle solari convenzionali. Ci sono molti gruppi che lavorano su nuovi materiali, compresi i polimeri per le celle solari flessibili. Ma questi materiali non sono ancora all'altezza dell'efficienza e della durata del silicio, afferma Ray Chen , professore nel centro di ricerca sulla microelettronica dell'Università del Texas ad Austin. Non posso dire che il silicio lo sarà il materiale a lungo termine, dice Chen. Ma in base ai dati che abbiamo in questo momento, il silicio [monocristallino] è un materiale molto robusto e ha il vantaggio di affidabilità ed efficienza.
Uno dei principali vantaggi della realizzazione di array di celle solari utilizzando il suo processo di stampa a trasferimento, afferma Rogers, è la capacità di controllare la distanza tra le microcelle. Le matrici sparse delle celle sono semitrasparenti e potrebbero essere utilizzate come rivestimenti per finestre colorati e che producono energia. Rogers spera anche che le celle solari sottili sostituiranno le celle solari convenzionali sui tetti e in altri luoghi dove si trovano già celle solari. Se la tecnologia dell'Illinois si dimostrasse più economica e più facile da trasportare e installare rispetto alle celle convenzionali, potrebbe rimuovere alcune delle barriere a un uso più diffuso dell'energia solare.
Tuttavia, rimangono domande sull'efficienza delle celle solari di Rogers. Per cambiare le regole del gioco, queste celle dovranno avere un'efficienza vicina al 15%, afferma Branz. Esistono metodi esistenti per aumentare l'efficienza delle celle solari in silicio monocristallino di oltre il 20%, afferma Rogers, e questi metodi potrebbero essere applicati anche alle microcelle, sebbene i ricercatori dell'Università dell'Illinois non si siano ancora concentrati sull'ottimizzazione dell'efficienza del materiale.