V sedmdesátých letech minulého století, v době ropné krize byl Harry Atwater ještě žákem, který zažil několikatýdenní „uhelné“ prázdniny. Tvrdí, že energetická krize byla pro něj natolik silným zážitkem, že ovlivnila jeho další zaměření. A tak je dnes profesorem, uznávaným odborníkem a ředitelem centra pro výzkum trvale udržitelných energetických zdrojů v Kalifornském technickém institutu CALTECH. Jeho tým již několikrát přispěl inovacemi k vývoji fotovoltaických technologií a teď v časopisu Nature Materials představuje nový povrch pro solární články, který by měl výrazně snížit výrobní náklady, přičemž výkonnost by měla zůstat přinejmenším zachována.
Základem nové povrchové vrstvy je průhledný polymer, v kterém jsou v pravidelném rozestupu rozmístěny miniaturní nanodrátky z monokrystalického křemíku. Vědci testovali různé parametry této struktury – s tloušťkou jednotlivých nanotyček od 0,5 po dva mikrometry (tisícin milimetru), s délkou 30 až 200 mikrometrů, jež zabíraly jenom 2 až 10 procent celé vrstvy. Pro lepší představu porovnání: lidský vlas má v průměru okolo 50 až 90 mikronů. Protože tento křemíkový les nanodrátků je vysazen v ohebném umělohmotném, maximálně 0,2 mm tenkém filmu, celá vrstva se tak může přizpůsobit nerovnému, nebo i vlnícímu se povrchu. Tak by mohla tvořit součást solárních článků na střechách automobilů, nebo být připevněna na oblečení. (Dodatečně připojené názorné schéma).
Proč jsou křemíkové nanodrátky výhodnější než běžně používané kompaktní křemíkové destičky? I když celistvé plochy křemíkové vrstvy komerčních solárních článků mají drážkování, které podstatně snižuje odrazivost, způsobuje rozptyl a zlepšuje „kontakt“ světla s materiálem, krátká tenounká křemíková nanovlákna absorbují záření po celé své délce, čímž se výrazně zvyšuje účinná plocha. A navíc – v porovnání s kompaktní destičkou vyžadují mnohem méně křemíku, dokonce jenom setinu při „úspornějších“ variantách uspořádání. A to by představovalo nemalé snížení nákladů na výrobu solárních článků s těmito povrchy.
Pravidelné uspořádání kolmých křemíkových nanodrátků není schopno za každých okolností absorbovat světlo efektivně. Jestli slunce svítí na nanovlákna pod větším úhlem, struktura ho pohlcuje mnohem více, než když paprsky dopadají rovnoběžně s nimi (tedy kolmo na celou plochu povrchu). Aby fyzici tento efekt eliminovali, do průhledného polymeru, ve kterém jsou křemíkové nanopruty zataveny, roztrousili jemné částečky oxidu hlinitého. Ty pak dopadající světlo rozptylují do stran, na stěny křemíkových vláken. Absorpce využitelné složky slunečního záření tak dosahuje až 85 procent (neznamená to 85 % účinnost solárních článků!).
V absorpci infračerveného zářeni křemíkový „nanoplyš“ překonává mnohem dražší konvenčně používané celistvé křemíkové plochy, které IF složku v podstatě ignorují. Slibný výsledek Atwater komentuje slovy: „Prolomili jsme rekord o kterém si lidé mysleli, že představuje absorpční limit.“
Atwaterův tým testoval různé prototypy nového povrchu o velikosti asi čtverečního centimetru, takže ho ještě čeká mnohonásobní zvětšení plochy a sestrojení plně funkčního solárního článku s tímto povrchem. Ani případná komerční výroba by neměla představovat problém, protože, jak tvrdí Atwater, technologie přípravy křemíkových monokrystalických nanodrátků se běžně používá a lze ji snadno zakomponovat do výrobního procesu solárních panelů.
I tato slova dávají tušit, že i když práci o novém efektivnějším křemíkovém povrchu pro solární články publikoval prestižní Nature Materials, nejde o princip, který by představoval žhavou novinku. Podobnou povrchovou strukturu, jen z mnohem dražšího arzenidu galia využívají při výrobě solárních článků v ruském Sankt-Petěrburku. Ale při vyhledávání informací o křemíkových nanostrukturách zjistíte, že prací na toto téma bylo více: 2007 - 1, 2 a 2008 - 1, 2. Dokonce před dvěma lety byla, podobně jako zmíněné křemíkové nanodrátky, propagovaná jejich varianta s koaxiální PIN strukturou. Jak končí převratné výsledky těchto, s nadšením propagovaných výzkumů?
Zdroje: Nature Materials , Nature News , Renewable Energy World , Chemistry World
Diskuze:
