Kan udnyttelse af kvantefluktuationer resultere i mere effektive solpaneler?

Hvis forskerne har ret, kan verden være på randen af en klimakrise.  Med dette som udgangspunkt skal der gøres noget hurtigere end senere for at tackle problemet.  For mange er den letteste løsning på klimaforandringerne en overgang fra vores afhængighed af fossile brændstoffer som energikilde til mere bæredygtige muligheder som vandkraft, vind, geotermisk energi og solenergi.  Dog kræver dette en målrettet indsats for at fremme teknologien bag disse alternativer.  Heldigvis arbejder forskere allerede hårdt, med flere nylige studier, der peger på en lys fremtid for fotovoltaiske celler, som muliggør indsamling af solenergi.

Bowtie-resonatorer

Et af de førnævnte studier har med succes skitseret en fremtid, hvor ‘bowtie-resonatorer’ gennem udnyttelse af kvantefluktuationer potentielt kan selvfremstilles.

Bowtie-resonatorer er en type struktur, der skal bruges i næste generations fotovoltaiske celler, bygget med målet om at fange lys i et indelukket hulrum. Formålet er at maksimere kontaktiden mellem det fangede lys og det medium, der anvendes til at overføre/fange energi. Interessant nok får bowtie-resonatorer deres navn på grund af deres form, der ligner en slips.

Typisk, i fravær af lækage, jo mindre resonatoren er, desto mere effektiv er den til at fange lys – hvilket fører til højere effektivitet og energifangst.  Desværre er vi nået et tidspunkt, hvor traditionelle fremstillingsteknikker næsten er udnyttet fuldt ud.  Det er her studiet kommer ind i billedet, som søgte at udnytte kvantefluktuationer, der resulterer i de grundlæggende kræfter kendt som

• Casimir effect
• Van der Waals forces

Formålet var i bund og grund at styre selvfremstillingen af en resonator, der er langt mindre end hvad der i øjeblikket er muligt i stor skala. Resultatet var et betydeligt og succesfuldt fremskridt inden for fremstilling af halvlederkomponenter, da teamet kunne udnytte Casimir-van der Waals-kræfterne til ‘deterministisk selvmontering’ af ophængte silicium-nanostrukturer og den vellykkede skabelse af et nanoskopt resonatorhul.

Kort sagt – i stedet for at forsøge at bygge en resonator i så lille skala, byggede teamet to halvdele og stolede på kvantefluktuationer til at ‘svejse’ dem sammen, når de blev placeret i ekstremt tæt nærhed af hinanden. Artiklen angiver, at “Til sammenligning har planær halvlederteknologi haft en enorm teknologisk indflydelse på grund af sin iboende skalerbarhed, men den ser ud til ikke at kunne nå de atomære dimensioner, som selvmontering muliggør.”

Hvad betyder det?

Implikationerne af denne teknologi er vidtrækkende, med potentielle anvendelser på tværs af forskellige felter. Papiret uddyber dette og angiver følgende.

“Mens vores arbejde demonstrerer selvmontering af fotoniske huller med få til sub-nanometer konfinering, kan vores metode anvendes i et meget bredere forsknings- og teknologifelt, for eksempel solid-state nanopore-sekventering, nanogap kvantetunnelings-elektroder eller ultra-højkvalitets skyggemasker til superledende kvanteelektroniske enheder.

Mere generelt åbner vores arbejde perspektiver for at udforske nye regimer inden for fotonik, elektronik og mekanik på atomskala, samtidig med at det muliggør skalerbar og selvjusteret integration med store chip-arkitekturer.

Den selvmonterede bølgguide‑koblede hulrum er særligt interessant med hensyn til forbedret lys‑materie‑interaktion, hvilket potentielt muliggør drift af enheder på enkelt‑foton‑niveau og faciliterer nye effektivitetstrin, som endnu ikke er set i fotovoltaiske celler.

Bagkontakt-fotovoltaiske celler

Bemærkelsesværdigt er dette ikke den eneste potentielt banebrydende fremskridt i de seneste uger inden for fotovoltaiske celler. Forskere ved University of Ottawa (U of O) fremstillede med succes de “…første bagkontakt mikrometriske fotovoltaiske celler”.

Kilde: www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666386423005325?via%3Dihub#abs0015

Grundlæggende er dette en ny fremstillingsteknik, der i høj grad reducerer ‘skyggeeffekten’ i en fotovoltaisk celle ved at flytte de elektriske kontakter til bagsiden. Dette betyder, at det energindsamlende medium kan have et større overfladeareal, som det indfangede lys kan interagere med. Tilgangen muliggør også betydelig miniaturisering af cellerne. Alt i alt betyder det større effektivitet og omkostningseffektivitet.

Alternative anvendelser

Interessant nok er disse diskuterede gennembrud vigtige for mere end blot udnyttelse af solenergi. De kan også potentielt pege på en vej frem for nanoteknologi generelt ved at demonstrere muligheden for at udnytte kvantefluktuationer og grundlæggende kræfter som Casimir‑effekten og Van der Waals‑kræfterne.

Direkte selvfremstillende materialer ville åbne et nyt område af muligheder inden for materialvidenskab, som ville påvirke næsten alle industrier dybtgående. Det betyder lettere og stærkere byggematerialer, miniaturiseret elektronik, mere effektive lægemidler, målrettet lægemiddellevering og mere.

Bundlinjen er, at nanoteknologi en dag kan fundamentalt transformere disse industrier, hvilket gør det til et særligt fængslende og lovende område inden for videnskabelig og teknologisk udforskning. Det er dog vigtigt at erkende, at en styret, selvfremstillet bowtie‑resonator kun er et skridt i et maraton.

Brancheaktører

Selvom det kan tage flere år, før vi ser selvmonterende bowtie‑resonatorer og bagkontaktceller anvendt i virkelige applikationer, er dette de typer af innovative fremskridt, der vil være nødvendige, hvis vi forventer at undgå, eller i det mindste afbøde, den potentielle klimakrise, vi allerede står over for. Med dette i tankerne er følgende et par børsnoterede virksomheder, der er stærkt involveret i væksten af solenergiindustrien og den teknologi, der gør det muligt.

*Tal leveret nedenfor var korrekte på tidspunktet for skrivning og kan ændre sig. Enhver potentiel investor bør verificere tallene*

1. NextEra Energy Resources

NEE Prisdiagram

NextEra Energy (NEE ) Resources er Nordamerikas førende virksomhed inden for ren energi og leder inden for vind- og solenergi produktion. Den udvikler, bygger og driver elektriske energiprojekter, herunder mere end 150 vind- og solenergi‑centre på tværs af 26 stater i USA og fire provinser i Canada, og genererer over 17.000 megawatt vind- og solenergi.

2.  First Solar

FSLR Prisdiagram

First Solar (FSLR ) designer og fremstiller solenergisystemer og solmoduler ved hjælp af tyndfilm‑halvlederteknologi. De leverer også støttetjenester såsom finansiering, konstruktion, vedligeholdelse og genanvendelse af paneler ved slutningen af deres levetid.

3. SolarEdge Technologies

SEDG Prisdiagram

SolarEdge Technologies (SEDG ) er en global leder inden for smart energiteknologi. De tilbyder løsninger til fotovoltaik, lagring, opladning af el‑biler, batterier, uafbrudt strømforsyning og nettjenester. Virksomheden er kendt for sin SolarEdge DC‑optimerede inverterløsning, som maksimerer energiproduktionen, samtidig med at den reducerer omkostningerne ved den energi, der produceres af fotovoltaiske systemer.

Afsluttende tanker

Fremskridtene inden for fotovoltaisk teknologi, især udviklingen af selvmonterende bowtie‑resonatorer og bagkontakt‑fotovoltaiske celler, markerer et betydeligt skridt i retning af at tackle de presserende udfordringer ved klimaforandringer. Disse innovationer repræsenterer mere end videnskabelig fremgang; de er kritiske skridt mod at realisere en bæredygtig energifremtid.

Efterhånden som disse teknologier nærmer sig bred anvendelse, lover de at gøre solenergi mere effektiv, omkostningseffektiv og tilgængelig, hvilket fremskynder overgangen fra fossile brændstoffer. Denne fremgang inden for solenergi er ikke kun i overensstemmelse med miljømål, men understreger også potentialet for vedvarende energi til at blive en dominerende, praktisk energikilde i den nærmeste fremtid.